Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden, aan het einde van de Archeïsche Eon, een planeetbrede toename van zuurstofniveaus, de Great Oxidation Event (GOE) genaamd, creëerde de vertrouwde atmosfeer die we vandaag allemaal inademen. Onderzoekers die zich concentreerden op de oorsprong van het leven, zijn het er algemeen over eens dat deze overgangsgebeurtenis werd veroorzaakt door de wereldwijde proliferatie van fotosynthetische microben die in staat zijn water te splitsen om moleculaire zuurstof te maken (O ₂ ). Echter, volgens Tanja Bosak, universitair hoofddocent bij MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen (EAPS), onderzoekers weten niet hoe lang voordat de GOE deze organismen evolueerden.

Bosak's nieuwe onderzoek, vandaag gepubliceerd in Natuur , suggereert dat het nu misschien nog moeilijker is om de opkomst van zuurstofproducerende microben in het geologische record vast te stellen.

Een signaal in de rotsen

De eerste microben die zuurstof maakten, lieten geen dagboek achter, dus moeten wetenschappers zoeken naar subtiele aanwijzingen voor hun ontstaan ​​die de tussenliggende paar miljard jaar hadden kunnen overleven. De zaken nog ingewikkelder maken, terwijl het bewijs van de GOE overal op aarde wordt gevonden, deze vroege kolonies van zuurstofproducerende organismen zouden waarschijnlijk eerst in kleine vijvers of watermassa's hebben bestaan. Elke vermelding van hen zou geografisch geïsoleerd zijn.

Sommige wetenschappers beschouwen gelokaliseerd bewijs van het mineraal mangaanoxide in oude sedimenten als een indicator (of proxy) voor het bestaan ​​van zuurstofproducerende organismen. Dit komt omdat mangaanoxidatie alleen mogelijk werd geacht in de aanwezigheid van aanzienlijke hoeveelheden O ₂ , meer dan normaal in de atmosfeer vóór GOE bestond. Dus, het vinden van bewijs van mangaanoxide in sedimenten van vóór de GOE zou suggereren dat zuurstofproducerende organismen tegen die tijd waren geëvolueerd en actief waren in het gebied.

Maar het blijkt dat er meer dan één manier is om mangaan te oxideren.

Anaërobe microben veranderen het spel

Zoals beschreven in de nieuwe krant, Bosak en haar voormalige postdoc, Mirna Dage, ontdekte dat kolonies van moderne microben dit proces kunnen uitvoeren in anaërobe omgevingen die typerend zijn voor de late Archean Eon. In tegenstelling tot de organismen die de GOE veroorzaakten, Daye en Bosak's microben gebruiken sulfide, in plaats van water, om fotosynthese uit te voeren, dus ze creëren geen moleculaire zuurstof als bijproduct. De meeste wetenschappers denken dat dit type anaërobe fotosynthese naar voren kwam als een voorlopersysteem voor de meer bekende zuurstofische fotosynthese die de GOE inluidde, en de microben van Daye en Bosak bevatten een genetische machinerie die lijkt op wat men denkt te hebben bestaan ​​vóór de evolutie van bacteriën die in staat zijn zuurstof te maken.

De demonstratie van mangaanoxidatie door de Bosak-groep in een anaërobe omgeving betekent dat bewijs van oud mangaanoxide mogelijk geen betrouwbare indicatie is voor de lokale evolutie van zuurstofproducerend leven. Het zou zomaar een signaal kunnen zijn voor de aanwezigheid van andere organismen waarvan men op dat moment dacht dat ze wijdverbreid waren.

De co-auteurs van Bosak zijn onder meer universitair hoofddocent geobiologie Gregory Fournier, samen met voormalig postdocs Mirna Daye en Mihkel Pajusalu van de EAPS-afdeling van MIT; Vanja Klepac-Ceraj, Sophie Roeland, en Anna Farrell-Sherman van Wellesley College; Nicolas Beukes van de Universiteit van Johannesburg; en Nobumichi Tamura van Berkley National Laboratory.

Vraagtekens bij oud mangaan

"Het ontdekken van nieuwe mechanismen waarmee mangaanoxide kan worden gecreëerd in de Archeïsche omgevingen, voor de opkomst van zuurstof, is enorm interessant omdat veel van de proxies die we hebben [gebruikt] voor de aanwezigheid van zuurstof [en daarom, microben die het kunnen produceren] in het milieu in de eerste helft van de geschiedenis van de aarde zijn … eigenlijk proxies voor de aanwezigheid van mangaanoxide, " zegt Ariël Anbar, professor aan de Arizona State University School of Earth and Space Exploration, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Dat dwingt ons om dieper na te denken over de proxy's die we gebruiken en of ze echt indicatief zijn voor O ₂ of niet."

De studie van de oude aarde is altijd een uitdaging geweest, omdat bewijsmateriaal wordt hergebruikt door geologische processen en anders verloren gaat door de slijtage van de tijd. Onderzoekers hebben alleen gefragmenteerde en afgeleide gegevens die ze kunnen gebruiken om theorieën te ontwikkelen.

"Wat we vinden is niet noodzakelijkerwijs zeggen dat deze mensen die deze blips van zuurstof interpreteren voor de GOE [het] bij het verkeerde eind hebben. Het geeft me gewoon een enorme pauze, " zegt Bosak, "Het feit dat we er wat microben in gooiden en deze processen vonden die gewoon nooit werden overwogen, vertelt ons dat we echt niet veel begrijpen over hoe het leven en het milieu samen zijn geëvolueerd."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.