Studija pokazuje: mikrobi su koristili kiseonik mnogo ranije — između 3,2 i 2,8 milijardi godina

Nova analiza evolucije heme‑bakar oksidoreduktaza, enzima ključnih za završni korak aerobne respiracije, sugeriše da su neki mikrobi mogli koristiti kiseonik stotinama miliona godina pre Velikog događaja oksidacije (GOE).

Ko je radio istraživanje

Rad su sproveli geobiolozi sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) — Fatima Husain i Gregory Fournier — u saradnji sa Haitao Shang i Stilianos Louca sa University of Oregon. Studija je objavljena u časopisu Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology.

Maximum-likelihood phylogenetic tree of the heme-copper oxygen reductase family. The tree includes 5360 sequences from all domains of life and shows the recovery of subtype classification grouping, as well as the identification of a group of A2-type within the A-type oxygen reductases. (CREDIT: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)

Šta su istraživači radili

Tim je pratio poreklo i evoluciju podjedinice I heme‑bakar oksidoreduktaza, konzervisanog dela koji sadrži metalne centre (bakerni jon i heme) i šest invariantnih histidinskih ostataka neophodnih za vezivanje metala. Te enzime naučnici dele u A, B i C tipove, koji se razlikuju po mehanizmima pridavanja protona i afinitetu prema kiseoniku.

Istraživači su započeli obimnom genomskom pretragom: sakupili su 35.984 sekvence, poravnali ih, uklonili parcijalne i nereprezentativne zapise i filtrirali one bez šest ključnih histidina, čime je preostalo 5.360 snažnih kandidata. Za potrebe datiranja dodatno su uzorkovali i ograničili skup na 386 sekvenci poravnatih na 423 aminokiselinska mesta.

Multiple sequence alignment of heme-copper oxidase family members. The residues outlined in black and shaded in blue represent the six invariant histidines present in subunit I for all members of the family; the sequence segments outlined in black and shaded in green represent the A1- and A2-type sequence motifs. (CREDIT: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)

Glavni nalazi

Molekularni satovi i različiti filogenetski modeli dosledno pokazuju da su glavne loze heme‑bakar oksidoreduktaza verovatno nastale pre GOE. Procene starosti ključnih predaka padaju u širi raspon od oko 3,4–3,6 milijardi godina, dok su za A‑tip enzime centralne procene bile oko 3,19–3,21 milijardi godina. U modelima koji uklanjaju dve duboko granajuće arhealne sekvence starosti A‑tipa padaju na približno 2,86–2,90 milijardi godina — i dalje pre GOE.

Analiza cijanobakterijskih grana pokazuje duboku duplikaciju A‑tip oksidoreduktaza unutar cijanobakterija, što autorima daje argument da je sposobnost za aerobnu respiraciju mogla postojati rano u evoluciji ovih mikroba. Preduplikacioni oblici cijanobakterijskih A‑tip enzima datirani su na oko 2,36–2,40 milijardi godina, vreme koje se poklapa sa samim početkom GOE.

Maximum-likelihood trees for the heme-copper oxygen reductases. Taxa and collapsed clades are labeled according to NCBI taxonomy annotations at the order level when possible; for taxa without order-level classification, the next highest level of classification was used. (CREDIT: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)

Šta to znači za atmosferu i ranu biosferu

Rezultati ne znače da je Zemljina atmosfera imala današnje nivoe kiseonika u tom periodu. Umesto toga, podaci podržavaju model lokalnih i kratkotrajnih "whiff" izlivanja kiseonika — naročito u blizini cijanobakterijskih prostirki — koje su brzo lokalno oksidirane. Autori predlažu da su rani aerobni organizmi mogli predstavljati dodatni biološki "ponor" kiseonika, usporavajući njegovu globalnu akumulaciju.

Laboratorijski podaci citirani u studiji ukazuju da A‑tip oksidoreduktaze mogu funkcionisati pri ekstremno niskim koncentracijama kiseonika (primerice reda veličine ~1 nanomol O2/L), što omogućava aerobnu aktivnost uz vrlo slabe atmosferske posledice.

Širi značaj

Ovaj rad menja način na koji tumačimo geološke tragove ranog kiseonika i utiče na kriterijume za traženje biosignatura na drugim planetama: ako mikrobi mogu rano i efikasno da koriste čak i vrlo male tragove kiseonika, onda prisustvo slabog kiseoničnog signala u egzoplanetskim atmosferama može imati drugačije značenje nego što se ranije mislilo.

Zaključak: Evolucijska analiza enzima podržava scenarij u kome su živi organizmi počeli da koriste kiseonik mnogo ranije nego što je on postao stalna komponenta atmosfere — situacija u kojoj je biologija svojim delovanjem verovatno doprinela odlaganju globalne oksigenacije.

Rezultati su dostupni u izdanju časopisa Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology.