Suntem atât de obișnuiți cu prezența oxigenului în atmosfera planetei noastre, încât credem că acest lucru este de la sine înțeles. Însă oxigenul a lipsit din atmosfera Pământului timp de aproape jumătate din existența sa.
Atunci când Pământul s-a format în urmă cu 4,5 miliarde de ani, condițiile erau foarte diferite. În acele vremuri, atmosfera planetei era reducătoare și conținea dioxid de carbon, metan și vapori de apă, în contrast cu atmosfera de astăzi, care conține predominant azot și oxigen. Deși lumina solară scinda vaporii de apă din atmosferă în oxigen și hidrogen, oxigenul reacționa rapid cu metanul și rămânea blocat în scoarța planetei.
În aceste condiții, o forță tăcută și misterioasă a lucrat pentru a elibera lent oxigenul până când compoziția atmosferei s-a schimbat în totalitate. Această entitate a fost chiar un microb: cianobacteriile.
Intră în scenă cianobacteriile
Potrivit reputatului biochimist Leslie Orgel, un pionier în studierea originilor vieții, viața rudimentară a apărut pe planeta noastră în urmă cu 3,8 miliarde de ani. Deoarece oxigenul lipsea din atmosferă în acele vremuri, metabolismul desfășurat de organismele vii putea fi doar anaerob, utilizând mineralele prezente în apa mării pentru a genera energie.
Totuși, în urmă cu aproximativ 2,7 miliarde de ani, a apărut un grup straniu de microorganisme, cunoscut sub denumirea de cianobacterii. Analiza filogenetică a ARNr, reconstrucțiile genomice și înregistrările fosile au fost utilizate pentru a înțelege caracteristicile evolutive ale primelor organisme de pe Pământ. Acești microbi posedau remarcabila capacitate de a desfășura fotosinteza (își generau energia cu ajutorul luminii solare). Cianobacteriile dețineau mașinăria celulară pentru a utiliza apa drept combustibil prin oxidarea acesteia. Mai mult, produsul secundar al fotosintezei s-a întâmplat a fi oxigenul.
Cercetătorii cred că nivelurile de oxigen eliberare în apa mării de către cianobacterii au crescut treptat și că, în decursul unei perioade de 200-300 de milioane de ani, oxigenul era produs la o rată mai mare decât rata de reacție cu alte minerale sau de înglobare în minerale.
Oxigenul produs de cianobacterii s-a acumulat pe întinderi vaste ale oceanelor și a oxigenat apa. Treptat, oxigenul acumulat a început să scape în atmosferă, unde a reacționat cu metanul. În cele din urmă, metanul a fost înlocuit în totalitate, iar oxigenul a devenit o componentă majoră a atmosferei. Aceste eveniment, cunoscut sub denumirea de Marele Eveniment de Oxidare, a avut loc în urmă cu 2,4-2,1 miliarde de ani.
Chimia Pământului s-a modificat
Marele Eveniment de Oxidare a reprezentat un moment epocal din evoluția vieții și a avut câteva consecințe grave, nu doar asupra climatului planetei (indirect), ci și în privința adaptării și evoluției organismelor vii. Cercetătorii au emis ipoteza asupra impactului evenimentului de oxigenare asupra climatului prin estimarea minuțioasă a semnăturilor geochimice și izotopice ale moleculelor din atmosfera timpurie a Pământului, folosind modelarea în masă și efectuarea de studii care implică izotopi ai metalelor tranziționale sensibili la reacții redox.
Aceste studii arată că chimia atmosferei s-a modificat dramatic pe măsură ce nivelurile de oxigen au crescut și au înlocuit metanul (metanul este prezent și astăzi, însă în cantități mici). În continuare, s-a emis ipoteza că acumularea oxigenului în atmosferă a dus la primele epoci glaciare. Metanul este un gaz cu efect de seră, deoarece capturează energia solară și încălzește planeta. Pe măsură ce metanul din atmosferă a fost înlocuit, temperaturile globale s-au redus suficient pentru a apărea calote glaciare ce s-au extins de la poli până la tropice.
Oxigenul a mai fost responsabil pentru formarea stratului de ozon din atmosferă. Radiația ultravioletă (UV) de la Soare a scindat moleculele de oxigen (O2) în doi atomi de oxigen, care apoi au reacționat cu altă moleculă de oxigen pentru a crea ozon (O3). Ozonul acționează ca un ecran protector împotriva radiației UV nocive.
Apariția metabolismului aerob
Deoarece viața a fost complet anaerobă timp de 2,7 miliarde de ani înainte de apariția cianobacteriilor, se crede că oxigenul a acționat ca o otravă și a distrus cea mai mare parte a vieții anaerobe, ducând la un eveniment de extincție. Însă este dificilă stabilirea descendențelor care au dispărut, datorită lipsei înregistrărilor fosile și greutății în estimarea pierderii speciilor. Cu toate acestea, au fost create condițiile pentru următorul pas în evoluție: metabolismul aerob.
Viața a găsit o cale de a supraviețui în noul mediu cu oxigen prin utilizarea potențialului acestui compus în cadrul respirației. Deoarece oxigenul are un potențial redox ridicat, el a acționat ca un acceptor final de electroni pentru a genera energie în urma degradării nutrienților. Apoi oxigenul a devenit indispensabil pentru activitățile metabolice.
Organismele și-au pus la punct, de asemenea, strategii pentru înlăturarea speciilor reactive de oxigen rezultate din metabolismul aerob. Marele Eveniment de Oxidare a acționat drept catalizator pentru modelarea evoluției enzimelor implicate în înlăturarea acestor compuși toxici, enzime precum superoxid-dismutaza și catalaza. Organismele care nu s-au putut adapta suficient de bine la mediul bogat în oxigen au rămas în medii anaerobe.
Așadar, eliberarea oxigenului de către cianobacterii a fost responsabilă pentru modificările din compoziție atmosferei Pământului, pentru apariția metabolismului aerob și, în final, apariția vieții pluricelulare. Oxigenul este principala moleculă care face Pământul ceea ce este el astăzi, mult mai ospitalier și mai frumos decât la începuturile sale. De aceea putem afirma fără a exagera că existența noastră se datorează cianobacteriilor.