Újdonságok a Föld történelméből: Hogyan tették lehetővé az oxigént termelő cianobaktériumok az életünket

Achim Herrmann az első kékalgák terjedését kutatja. (Fotó: Koziel/TUK)

Achim Herrmann Michelle Gehringer doktori fokozatot szerez a Geomikrobiológia szakterületen. (Fotó: Koziel/TUK)

2,43 milliárd évvel ezelőtt kezdődött a „Nagy Oxigénkatasztrófa” (GOE vagy „Great Oxygenation Event”): A Föld atmoszférája folyamatosan gazdagodott oxigénnel, amely a fotoszintézis mellékterméke. Az okokat, ahogyan a tudomány mondja, a fotoszintézist végző kékbaktériumok jelentették. De miért történt ez ilyen későn, ez a rendkívül fontos fordulat? A kékbaktériumok életének nyomait már legalább 300 millió évvel a GOE előtt mutatják a kőzeti minták. A nyomok felkutatásában Achim Herrmann segít, aki a Kaiserslautern-i Technikai Egyetemen (TU Kaiserslautern) végzett doktori munkájában az ősi kékbaktériumok terjedését kutatta. Legújabb kutatási cikke most jelent meg a Nature Communications szaklapban.

„Számos tudományos elmélet létezik, amelyek összefonódva magyarázzák, miért késlekedett a kékbaktériumok elterjedése, ami szükséges volt a GOE-hez vagyis az oxigénkatasztrófához” – magyarázza Herrmann, aki a Geomikrobiológia szakterületen, Michelle Gehringer irányításával végzett kutatást. „Például, hogy ezek a baktériumok édesvízben keletkezhettek, amely akkor, mint ma, csupán a Föld felszínének töredékét fedte. Csak akkor tudtak elegendő biomasszát felhalmozni, amikor alkalmazkodtak a sósabb vizekhez, és végül a nyílt óceánban telepedtek meg, így globális változást idézhettek elő a Föld atmoszférájában.” Egy másik elmélet szerint a vasban gazdag tengervíz kezdetben mérgező hatással lehetett a fotoszintézist végző baktériumokra. A vas az akkoriban, az oxigénmentes földtörténeti korszakban, az „Archeikum” időszakban főként jól oldódó, redukált vas(II)-ionok formájában halmozódott fel az óceánban.

Herrmann kutatása a vaskárosodás-elmélethez kapcsolódik. „Azt szerettük volna ellenőrizni, hogy a vas(II) nemcsak a modern, hanem az ősi tengeri törzsek, konkrétan a Pseudanabaena sp. PCC7367 és a Synechococcus sp. PCC7336 növekedését és fotoszintézisét is gátolja-e” – mondja a biológus.

Gyorsan kiderült, milyen döntő a kísérleti felépítés. A már meglévő rendszerben – ahol a baktériumokat zárt üvegpalackokban tenyésztik – alapvetően rosszul fejlődtek: „Mindkét törzs esetében nagyon alacsony volt a biológiai aktivitás, a Synechococcus esetében szinte teljesen elnyomott” – mondja a biológus. A megoldás: „Egy, a TU Kaiserslautern fémműhelye által külön készített anaerob munkapad, amelyben a légkör összetétele teljesen automatikusan szabályozható” – mondja a biológus. „Ebben nagy laboratóriumi palackokban, gázt átengedő fedéllel tenyésztettük a kékbaktériumokat, hogy lehetővé tegyük a gázcserét. Az általuk termelt oxigént rendszeresen eltávolítottuk a rendszerből, a széndioxidot pedig alacsony koncentrációban tartottuk folyamatosan. Így létrehozhattunk egy sekély tengeri oxigénzónát, amilyet a Archaikum időszakából származó kőzeti minták is sugallnak.”

Ahogy várható volt, kiderült, hogy a kékbaktériumok „jobban érezték magukat” a valósághűbb környezetben. De mi történt egyszeri vasadagolás esetén, növekvő koncentrációban? A Pseudanabaena törzsű baktériumok egész jól növekedtek – bár lassabban, mint a kontroll rendszerben. A Synechococcus törzsű baktériumok esetében azonban egyértelműen látszott, hogy a vas mennyiségének növekedésével a sejtosztódás sebessége csökkent. Egy másik megállapítás: a termelt oxigén főként a feloldódott Fe(II)-ionokat oxidálta, nem pedig a légkörbe került. És a törzsek oxigéntermelése a anoxikus környezetben jóval magasabb értékeket ért el, mint oxikus légkörben, amely ma körülvesz minket.

Csak ebben a rendszerben figyelhető meg a „zöld rozsda” képződése is, ami egy Fe(II) és már Fe(III)-ra oxidált vas keveréke. A zöld rozsda képződése mellett erősen csökkent a biológiai aktivitás, valószínűleg a vasoxidokkal való „elburjánzás” miatt. Az Archaikum időszakában az ilyen zöld rozsda képződése döntő szerepet játszhatott a kötött vasérc képződésében, amely ma a legfontosabb nyersanyagforrás a nyersvasérc számára.

Végül Herrmann megváltoztatta a kísérleti szcenáriót, és a vasadagolást egy szimulált dagályciklushoz igazította. A vasat kezdetben rendszeresen adagolta éjszaka, amikor a fotoszintézis aktivitás nélküli közegben a oxigénkoncentráció a nullához közelített. Ezután mindkét törzs növekedése jelentősen lassult, de soha nem állt teljesen le. Ez arra utal, hogy az Archaikum oxigénzónája tolerálhatta a vasban gazdag víz éjszakai beáramlását is. Itt is kialakult a zöld rozsda, de gyorsan tovább oxidálódott, így nem okozott teljes növekedésmegállást.

Összességében Herrmann kutatása további részeket töltött ki a Föld történetének kirakósában. Meg tudta mutatni mindkét kékbaktérium-törzs esetében, hogyan zajlott a vasciklus egy archaikus oxigénzónában, és azt is, hogy a magasabb oxigéntermelés miatt valószínűleg kevesebb növényzettel borított terület volt szükséges a GOE elindulásához. Emellett kidolgozott egy olyan tenyésztési módszert, amely jobban tükrözi az Archaikum körülményeit.

„Remélem, kutatási dolgozatom hozzájárul ahhoz, hogy jobban megértsük, miként alakult ki egyáltalán a mi oxigénben gazdag légkörünk” – zárja a biológus.

Az publikált kutatási cikk adatai:
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. és Gehringer M.M.
„Napi Fe(II)/Fe(III) ciklus és fokozott O2-termelés egy szimulált archeai tengeri oxigénzónában”
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Kérdésekre választ ad:
Achim Herrmann
E-mail: a_herrma@rhrk.uni-kl.de
Telefon: (0)631 205-2199