Het enzym nitrogenase kan worden herleid tot de universele gemeenschappelijke voorouder van alle cellen meer dan vier miljard jaar geleden.

Tegenwoordig alleen in bacteriën te vinden, stikstofase is niettemin essentieel voor de productie van zuurstof uit water bij fotosynthese, waardoor het instrumenteel is in hoe waterbacteriën 2,5 miljard jaar geleden de eerste moleculaire zuurstof van de aarde produceerden.

"Voor de helft van het 4,6 miljard jarige bestaan ​​van de aarde, de atmosfeer bevatte alleen kooldioxide en stikstof, zonder zuurstof, maar dit veranderde toen cyanobacteriën, ook wel blauwgroene algen genoemd, begonnen met het produceren van de eerste zuurstof met behulp van stikstofase. Dit leidde tot de Great Oxidation Event, " verklaarde studie auteur professor John Allen (UCL Genetics, Evolutie &Milieu).

"Maar in plaats van gestaag te stijgen, het zuurstofgehalte in de lucht stabiliseerde zich gedurende ongeveer twee miljard jaar op 2 vol.% voordat het toenam tot het huidige niveau van 21%. De redenen hiervoor zijn lang besproken door wetenschappers en we denken dat we eindelijk een eenvoudig maar robuust antwoord hebben gevonden."

Een onderzoek, vandaag gepubliceerd in Trends in plantenwetenschappen door onderzoekers van de UCL, Queen Mary University of London en Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, stelt voor het eerst voor dat atmosferische zuurstof geproduceerd met behulp van stikstofase de werking van het enzym blokkeerde.

Deze negatieve feedbacklus verhinderde dat er meer zuurstof werd gemaakt en leidde zo'n 2,4 miljard jaar geleden tot een lange periode van stagnatie in de geschiedenis van de aarde.

Bijna twee miljard jaar lang, de Proterozoïcum Eon zag heel weinig verandering in de evolutie van het leven, samenstelling en klimaat van de oceaan en de atmosfeer, sommigen noemen het de 'saaie miljard'.

"Er zijn veel ideeën over waarom het zuurstofgehalte in de lucht zich gedurende zo'n ongelooflijk lange periode op 2% stabiliseerde, inclusief zuurstof die reageert met metaalionen, maar opmerkelijk, de sleutelrol van stikstofase is volledig over het hoofd gezien, " zei co-auteur van de studie, professor William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf).

"Onze theorie is de enige die verantwoordelijk is voor de wereldwijde impact op de productie van zuurstof gedurende zo'n lange periode en verklaart waarom het in staat was om te stijgen tot de niveaus die we vandaag zien, het voeden van de evolutie van het leven op aarde."

Het team zegt dat de negatieve feedbacklus pas eindigde toen planten ongeveer 600 miljoen jaar geleden land veroverden.

Toen de landplanten opkwamen, hun zuurstofproducerende cellen in bladeren waren fysiek gescheiden van stikstofhoudende cellen in de bodem. Door deze scheiding kon zuurstof zich ophopen zonder stikstofase te remmen.

Deze theorie wordt ondersteund door bewijs in het fossielenbestand dat aantoont dat cyanobacteriën ongeveer 408 miljoen jaar geleden begonnen met het beschermen van stikstofase in speciale cellen die heterocysten worden genoemd. toen het zuurstofgehalte al toenam door fotosynthese in landplanten.

"Nitrogenase is essentieel voor het leven en het proces van fotosynthese omdat het stikstof in de lucht fixeert tot ammoniak, dat wordt gebruikt om eiwitten en nucleïnezuren te maken, " zei co-auteur mevrouw Brenda Thake (Queen Mary University of London).

"We weten door het bestuderen van cyanobacteriën in laboratoriumomstandigheden dat stikstofase niet meer werkt bij hogere dan 10% huidige atmosferische niveaus, dat is 2% van het volume, omdat het enzym snel wordt vernietigd door zuurstof. Ondanks dat dit bekend is bij biologen, het is niet gesuggereerd als een drijfveer achter een van de grote mysteries van de aarde, tot nu."