Nowości z historii Ziemi: Jak cyjanobakterie produkujące tlen umożliwiły nasze życie

Achim Herrmann bada rozprzestrzenianie się wczesnych cyjanobakterii. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Achim Herrmann obronił doktorat u Michelle Gehringer w dziedzinie geomikrobiologii. (Zdjęcie: Koziel/TUK)

Przed 2,43 mld lat rozpoczęła się „Wielka Katastrofa Tlenowa” (GOE lub „Great Oxygenation Event”): Atmosfera Ziemi stopniowo nasycała się tlenem, produktem ubocznym fotosyntezy. Przyczyną byli, jak twierdzą naukowcy, cyjanobakterie prowadzące fotosyntezę. Ale dlaczego tak późno doszło do tej tak ważnej zmiany? Życie cyjanobakterii istniało, co pokazują próbki skalne, już co najmniej 300 mln lat przed GOE. Odpowiedzi na tę zagadkę poszukuje Achim Herrmann, który w swojej pracy doktorskiej na TU Kaiserslautern badał rozprzestrzenianie się wczesnych cyjanobakterii. Jego najnowszy artykuł naukowy ukazał się właśnie w czasopiśmie Nature Communications.

„Istnieje wiele naukowych teorii, które wzajemnie się uzupełniają i wyjaśniają, dlaczego rozprzestrzenianie się cyjanobakterii, niezbędne do GOE i katastrofy tlenowej, opóźniło się” – wyjaśnia Herrmann, który doktorat obronił w dziedzinie geomikrobiologii pod kierunkiem Michelle Gehringer. „Na przykład, że mogły one powstać w słodkiej wodzie, która wtedy, jak i dziś, stanowiła jedynie ułamek powierzchni Ziemi. Dopiero gdy przystosowały się do bardziej słonych wód i ostatecznie zamieszkały w otwartym oceanie, mogły wytworzyć wystarczającą ilość biomasy, aby wywołać globalną zmianę atmosfery Ziemi.” Kolejna teoria sugeruje, że wówczas woda morska bogata w żelazo mogła początkowo działać toksycznie na bakterie prowadzące fotosyntezę. Żelazo w tamtym anoksycznym okresie geologicznym – „Archeikum” – gromadziło się głównie w formie dobrze rozpuszczalnych, zredukowanych jonów żelaza(II) w oceanie.

Herrmann nawiązał w swojej pracy do hipotezy o toksycznym działaniu żelaza. „Chcieliśmy sprawdzić, czy żelazo(II) nie tylko hamuje wzrost i wydajność fotosyntezy u nowoczesnych, ale także u bardziej prymitywnych szczepów morskich, konkretnie Pseudanabaena sp. PCC7367 i Synechococcus sp. PCC7336” – mówi biolog.

Wyniki pokazały, jak kluczowe jest ustawienie eksperymentu. W już ustalonym systemie – bakterie były hodowane w zamkniętych szklanych butelkach – rozwijały się one zasadniczo słabo: „Aktywność biologiczna obu szczepów była bardzo niska, a u Synechococcus niemal całkowicie tłumiona” – wyjaśnia biolog. Rozwiązaniem była specjalnie wykonana przez warsztat metalurgiczny TU Kaiserslautern stacja robocza bez tlenowa, w której komorach można było automatycznie regulować skład atmosfery. „W niej hodowaliśmy cyjanobakterie w dużych butlach laboratoryjnych z pokrywami przepuszczającymi gaz, aby umożliwić wymianę gazową. Produkowany przez nie tlen był regularnie usuwany z systemu, a dwutlenek węgla utrzymywany w niskim, stałym stężeniu. W ten sposób mogliśmy zrealizować płytką morską oazę tlenową, jaką sugerują próbki z Archeikum.”

Jak się spodziewano, okazało się, że cyjanobakterie czuły się w bardziej naturalnym środowisku „lepiej”. Ale co się działo po jednokrotnym dodaniu żelaza w rosnących stężeniach? Bakterie szczepu Pseudanabaena rosły dobrze – choć wolniej niż w systemie kontrolnym. Natomiast bakterie szczepu Synechococcus wyraźnie wykazywały spowolnienie podziału komórek wraz ze wzrostem ilości żelaza. Kolejne odkrycie: wyprodukowany tlen głównie utleniał rozpuszczone jony Fe(II), zamiast uciekać do atmosfery. Wydajność produkcji tlenu tych szczepów w anoksycznym środowisku eksperymentalnym była wyraźnie wyższa niż w kontrolnym układzie z tlenową atmosferą, jaką znamy dzisiaj.

Dodatkowo, w tym systemie zaobserwowano powstawanie tzw. „zielonego rdzy” – mieszanki Fe(II) i już utlenionego Fe(III). Powstawanie zielonej rdzy towarzyszyło silnemu spadkowi aktywności biologicznej, prawdopodobnie z powodu „zeschnięcia” komórek przez osady żelaza. Podczas Archeikum powstawanie takiej zielonej rdzy mogło mieć kluczowe znaczenie dla powstawania bandyżelazowych złóż, które są dziś najważniejszym źródłem rudy żelaza.

Ostatecznie Herrmann zmodyfikował eksperyment, dostosowując dodawanie żelaza do symulowanego cyklu pływów. Dodawanie żelaza odbywało się początkowo regularnie na początku nocy, gdy stężenie tlenu w medium spadało do zera z powodu braku aktywności fotosyntetycznej. Po tym wzrastało spowolnienie wzrostu obu szczepów, ale nigdy nie zatrzymywało się całkowicie. To pokazało, że oaza tlenowa z czasów Archeikum mogła tolerować dopływ żelazistej wody podczas nocy. Również tutaj pojawiło się powstawanie zielonej rdzy, którą jednak można było szybko utlenić, co zapobiegało całkowitemu zatrzymaniu wzrostu.

Podsumowując, Herrmann swoim badaniem uzupełnił brakujące elementy układanki dotyczącej historii Ziemi. Udało mu się pokazać, jak mógł przebiegać cykl żelazowy w archeicznej oazie tlenowej oraz, że dzięki wyższej produkcji tlenu, do rozpoczęcia GOE potrzebna byłaby prawdopodobnie mniejsza powierzchnia zamieszkiwana przez mikroorganizmy. Ponadto opracował koncepcję hodowli cyjanobakterii, która lepiej odzwierciedla warunki życia w Archeikum.

„Mam nadzieję, że mój artykuł naukowy przyczyni się do lepszego zrozumienia, jak mogła rozwijać się nasza tlenowa atmosfera” – kończy biolog.

Informacje o opublikowanym artykule naukowym:
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. i Gehringer M.M.
„Diurnal Fe(II)/Fe(III) cycling and enhanced O2 production in a simulated Archean marine oxygen oasis”
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Odpowiedzi na pytania:
Achim Herrmann
E-mail: a_herrma@rhrk.uni-kl.de
Tel.: (0)631 205-2199