Tlen w oceanach pojawił się miliony lat wcześniej, niż myśleliśmy

Około 2,4 miliarda lat temu Ziemia przeszła jedną z największych rewolucji w swojej historii, zwane Wielkim Wydarzeniem Utleniającym (GOE). To wtedy tlen po raz pierwszy zaczął gromadzić się w atmosferze na skalę umożliwiającą rozwój złożonych form życia. Dotychczas sądzono, że zanim tlen przedostał się do atmosfery, oceany były niemal całkowicie beztlenowe. Jednak nowe badania naukowców z Syracuse University i MIT sugerują, że proces natleniania oceanów mógł rozpocząć się nawet 100 milionów lat wcześniej niż przypuszczano.

Zespół badawczy pod kierownictwem dr. Benjamina Uvegesa i prof. Christophera Juniuma sięgnął po sedymentacyjne rdzenie skalne z terenów dzisiejszej Południowej Afryki. Skały te liczą od 2,2 do 2,5 miliarda lat i doskonale zachowały chemiczne ślady dawnych środowisk. Analizując stosunek izotopów azotu, badacze odkryli dowody na to, że już wtedy w oceanach zachodziły procesy wymagające obecności azotanów, a więc substancji, które powstają w obecności tlenu, co czyni je wskaźnikiem warunków tlenowych.

Jak to możliwe? Kluczowa okazała się zaawansowana aparatura w laboratorium prof. Juniuma, ponieważ zaledwie kilka z laboratoriów na świecie jest w stanie wykryć izotopy azotu w próbkach o tak niskiej zawartości pierwiastków. Dzięki tej technologii udało się udowodnić, że cykl azotowy w oceanach stał się wrażliwy na obecność tlenu znacznie wcześniej, niż przypuszczano. A to oznacza, że mikroorganizmy musiały dostosować swoje mechanizmy biochemiczne do nowych warunków. O wiele wcześniej, niż zakładano dotąd w podręcznikach geologii.

Odkrycie to rzuca nowe światło na sekwencję zdarzeń, które doprowadziły do natlenienia atmosfery. - Wyniki sugerują, że pojawienie się tlenu w oceanach wyprzedziło jego akumulację w atmosferze o około 100 milionów lat - mówi Uveges. To opóźnienie oznacza, że życie miało więcej czasu na dostosowanie się do rosnącej obecności tego gazu, który, choć dziś dla nas niezbędny, był wówczas toksyczny dla dominujących form życia beztlenowego.

Jak tłumaczy prof. Junium, nowe warunki chemiczne zmusiły mikroorganizmy do ewolucyjnego przestawienia się na bardziej utlenione formy azotu, trudniejsze do przyswojenia. Właśnie ten moment stanowił przełom. Zmiany środowiskowe mogły sprzyjać rozwojowi fotosyntezy tlenowej i tlenowego oddychania, znacznie wydajniejszego niż fermentacja, która dominowała wcześniej.

Odkrycia zmieniają nasze rozumienie tego, kiedy środowiska powierzchniowe Ziemi stały się bogate w tlen po ewolucji fotosyntezy produkującej tlen. Badania identyfikują również kluczowy kamień milowy biogeochemiczny, który może pomóc naukowcom w modelowaniu, w jaki sposób różne formy życia ewoluowały przed i po GOE.

Źródło: Syracuse University
Publikacja: Benjamin T. Uveges et al, Aerobic nitrogen cycle 100 My before permanent atmospheric oxygenation, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2423481122