Οι πρώτοι οργανισμοί «ανέπνευσαν» οξυγόνο στη Γη πριν 3,1 δισ. Χρόνια. The first organism to use oxygen may have appeared surprisingly early

Οι πρώτοι οργανισμοί που «ανέπνευσαν» οξυγόνο, εμφανίστηκαν περίπου πριν 3,1 δισεκατομμύρια χρόνια, σύμφωνα με νέες επιστημονικές εκτιμήσεις. Η νέα ισραηλινή γενετική ανάλυση πολλών διαφορετικών οικογενειών μικροοργανισμών κατέληξε στο μάλλον απροσδόκητο συμπέρασμα ότι η χρήση οξυγόνου από τους έμβιους μικροσκοπικούς οργανισμούς είχε ξεκινήσει σχεδόν 600 εκατομμύρια χρόνια νωρίτερα από το λεγόμενο «Μεγάλο Οξυγονωτικό Συμβάν», που γέμισε την ατμόσφαιρα της Γης με αέριο οξυγόνο πριν περίπου 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια. The first organisms to “breathe” oxygen—or at least use it—appeared 3.1 billion years ago, according to a new genetic analysis of dozens of families of microbes. The find is surprising because the Great Oxidation Event, which filled Earth’s atmosphere with the precious gas, didn’t occur until some 500 million years later. Ferdinand Hodler (1853–1918), Rhythmic Landscape on Lake Geneva (1908), oil on canvas, 67 x 91 cm, Private collection. Wikimedia Commons.

Οι Ισραηλινοί ερευνητές, με επικεφαλής τον βιοχημικό Νταν Ταουφίκ του Ινστιτούτου Επιστημών Weizmann, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό για θέματα οικολογίας και εξέλιξης «Nature Ecology & Evolution», σύμφωνα με το «Science», ανέλυσαν τα γονιδιώματα 130 οικογενειών προκαρυωτικών οργανισμών, που είναι σήμερα απόγονοι των αρχαιότερων μικροβίων, βακτηρίων και άλλων μικροοργανισμών στον πλανήτη μας.

An enzyme "family tree" revealed when organisms first started using oxygen. doi:10.1126/science.abh2652

Δημιουργήθηκε έτσι ένα εξελικτικό «οικογενειακό δέντρο» με τη χρήση γονιδίων από περίπου 700 ένζυμα, τα οποία είτε χρησιμοποιούν οξυγόνο, είτε το παράγουν. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του «μοριακού ρολογιού», έκαναν εκτιμήσεις για το πότε καθένα από αυτά τα ένζυμα εξελίχθηκε. Από τις 130 οικογένειες μικροοργανισμών, για τις 36 κατέστη εφικτό να γίνει χρονολόγηση με σχετικά υψηλό βαθμό ακρίβειας, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Prof. Dan Tawfik and Jagoda Jabłońska

Όπως δήλωσε ο δρ Ταουφίκ, «είδαμε κάτι αρκετά εντυπωσιακό: μια ξεκάθαρη ανάδυση μικροβίων που χρησιμοποιούσαν οξυγόνο πριν 3 έως 3,1 εκατομμύρια χρόνια». Οι 22 από τις 36 οικογένειες μικροοργανισμών φαίνεται να εμφανίστηκαν ακριβώς εκείνη την εποχή, οι 12 αργότερα, ενώ μόνο δύο νωρίτερα.

Η εμφάνιση πρωτεϊνών (ενζύμων) που κάνουν χρήση οξυγόνου, σηματοδότησε ένα κομβικό στάδιο για την εμφάνιση των αερόβιων μικροβίων, μια μετάβαση από έναν προηγούμενο κατά βάση αναερόβιο κόσμο. Οι επιστήμονες γενικά συμφωνούν ότι η ατμόσφαιρα και οι ωκεανοί της αρχέγονης Γης στερούνταν αέριου οξυγόνου. Υπάρχουν πάντως κάποιες ενδείξεις ότι σχετικά σύντομα υπήρξε κάποια ποσότητα οξυγόνου, καθώς τα κυανοβακτήρια -οι πρώιμοι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί- πιθανώς πριν 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια είχαν αρχίσει να απελευθερώνουν οξυγόνο ως υποπροϊόν, αλλά δεν το χρησιμοποιούσαν οι ίδιοι. Η χρήση του οξυγόνου για «αναπνοή» άργησε μερικές ακόμη εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.

Η νέα ισραηλινή μελέτη εκτιμά -με βάση την αναδρομική γενετική ανάλυση- ότι περίπου πριν 3,1 δισεκατομμύρια χρόνια εμφανίστηκαν μικροοργανισμοί που άρχισαν να «αναπνέουν» το οξυγόνο και να το αξιοποιούν για μεγαλύτερη παραγωγή ενέργειας. Πιθανώς η ικανότητα αναπνοής/χρήσης του οξυγόνου εξελίχτηκε αργά, αρχικά σε μικρούς θύλακες, και σταδιακά εξαπλώθηκε στον πλανήτη στη διάρκεια των επόμενων εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών.

Banded iron deposits like these contain clues to the Great Oxygenation Event. doi:10.1126/science.abh2652

Μετά και το «Μεγάλο Οξυγονωτικό Συμβάν» που ακολούθησε, το περιβάλλον του πλανήτη μας άρχισε να μεταμορφώνεται δραματικά και η ζωή γνώρισε μια πραγματική «έκρηξη» χάρη στο οξυγόνο. Υπήρξε έτσι η εξέλιξη των πολυκύτταρων οργανισμών και τελικά των ζώων και των ανθρώπων.

Άλλοι πάντως επιστήμονες, όπως ο εξελικτικός βιολόγος Πάτρικ Σιχ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, εμφανίστηκαν πιο επιφυλακτικοί, επειδή η μέθοδος του «μοριακού ρολογιού», στην οποία βασίστηκε η γενετική ανάλυση και χρονολόγηση, είναι ακόμη μια εξελισσόμενη επιστήμη και συνεπώς τα συμπεράσματά της έχουν ένα βαθμό αμφιβολίας.

Πηγές: https://www.nature.com/articles/s41559-020-01386-9 - https://www.sciencemag.org/news/2021/02/first-organism-use-oxygen-may-have-appeared-surprisingly-early - https://www.amna.gr/home/article/532100/Oi-protoi-organismoi-anepneusan-oxugono-sti-Gi-prin-3-1-dis-chronia