Een enorme biosfeer op aarde aandrijven, fotosynthese is de door licht gemedieerde reactie die koolstofdioxide en water omzet in koolhydraten en zuurstof. Ongeveer 2,3 miljard jaar geleden, deze reactie leidde tot een dramatische oxygenatie van de atmosfeer van de aarde.

Er zijn aanwijzingen dat de zuurstofafgevende fotosynthese veel vroeger evolueert - misschien al 3 miljard jaar geleden. Echter, de zuurstofrijke atmosfeer die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen, bestaat slechts voor ongeveer 10 procent van de 4,5 miljard jaar oude geschiedenis van de aarde. Waarom vond de oxygenatie van de atmosfeer zoveel later plaats dan de evolutie van de zuurstofafgevende fotosynthese?

"De opvallende vertraging is een blijvende puzzel gebleven op het gebied van aardgeschiedenis en planetaire wetenschap, " zegt Christopher Reinhard, een assistent-professor aan de School of Earth and Atmospheric Sciences (EAS).

Reinhard, voormalig EAS postdoctoraal onderzoeker Kazumi Ozaki, en medewerkers hebben een oplossing voor de puzzel voorgesteld. Hun bevindingen, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , suggereren dat in de oceanen van de vroege aarde, zuurstofafgevende fotosynthesizers konden niet effectief concurreren met hun primitieve tegenhangers.

Moderne fotosynthesizers verbruiken water en geven zuurstof af. Primitieven consumeren in plaats daarvan opgeloste ijzerionen - die overvloedig aanwezig zouden zijn in de oceanen van de vroege aarde. Ze produceren roest als bijproduct in plaats van zuurstof.

Met behulp van experimentele microbiologie, genomica, en grootschalige biogeochemische modellering, "We ontdekten dat fotosynthetische bacteriën die ijzer gebruiken in plaats van water felle concurrenten zijn voor licht en voedingsstoffen, " zegt Ozaki, de eerste auteur van het artikel en nu een assistent-professor bij de afdeling Milieuwetenschappen aan de Toho University, in Japan. "We stellen voor dat hun vermogen om zuurstofproducerende fotosynthesizers te overtreffen een belangrijk onderdeel is van de wereldwijde zuurstofcyclus van de aarde."

De studie maakt deel uit van Reinhards onderzoeksdoel om te begrijpen hoe de evolutie van de fotosynthetische biosfeer de samenstelling van de atmosfeer van de aarde beheerste. "We willen de timing van belangrijke biologische innovaties en hun impact op de chemie van de oceanen en atmosfeer van de aarde begrijpen. We beschouwen deze principes als centraal in het begrijpen van onze eigen evolutionaire oorsprong en de zoektocht naar leven buiten ons zonnestelsel."

"Onze resultaten dragen bij aan een diepere kennis van de biologische factoren die de langetermijnevolutie van de atmosfeer van de aarde beheersen, " zegt Ozaki. "Ze bieden een beter mechanistisch begrip van de factoren die de zuurstofvoorziening van de atmosferen van aardachtige planeten buiten ons zonnestelsel bevorderen." De resultaten "bieden een geheel nieuwe mogelijkheid om theoretische modellen van de biogeochemische zuurstofcyclus van de aarde te bouwen , ’, vult Reinhard aan.