Siny kontra nadfioletowy

17 sierpnia 2018
Blog szalonych naukowców

W poprzednim wpisie Marcin Nowak napisał o tzw. katastrofie tlenowej, czyli masowym uwolnieniu tlenu przez prekambryjskie sinice, które przeorało ówczesną biosferę. Przetrwały tylko te organizmy, które do tlenu się dostosowały albo skutecznie go unikają.

Te, które się dostosowały, w znacznej mierze poszły dalej i zaczęły nie tylko tlen neutralizować i tolerować, ale wręcz go wykorzystywać. My jesteśmy ich potomkami, używając tlenu do oddychania. Na nasze komórki tlen, a tym bardziej ozon też działają toksycznie, ale jakoś te parędziesiąt lat zwykle dajemy sobie radę.

Nawet jednak bezwzględne beztlenowce, które muszą przed tlenem się ukrywać, coś tlenowej atmosferze zawdzięczają – jest ona filtrem przed promieniowaniem ultrafioletowym. Filtrem niedoskonałym, bo w czystych wodach morskich promieniowanie to w ilości zagrażającej komórkom sięgać może ponad 20 metrów w głąb i dopiero taka warstwa wody rozprasza je skutecznie, ale i tak znacznie lepiej jest pod tym względem niż te 3 mld lat temu. Roli warstwy ozonowej nie muszę chyba przedstawiać.

Piotr Rzymski kiedyś pisał u nas, jakie to sinice są wszędobylskie i sprawne. To prawda, ale trzeba przyznać, że trochę czasu im zajęło, zanim się aż tak bardzo rozpowszechniły. Z naszej perspektywy rzuca się liczbami rzędu setek milionów lat dość łatwo. Jakieś zdarzenie z sinicami w tle mało miejsce 3,5 albo 2,5 mld lat temu – co to za różnica? Skoro takie ekspansywne, a na dodatek trują całą konkurencję, to czemu nie wypełniły całej atmosfery tlenem w kilka tysięcy lat i czemu same nie zajęły całej powierzchni Ziemi w podobnym czasie?

Wielkie natlenianie Ziemi trwało setki milionów lat. W tym czasie powstało mnóstwo minerałów wcześniej nieznanych na Ziemi. Zwykle mówi się o tym, że natlenienie spowodowało utlenienie żelaza na drugim stopniu utlenienia do żelaza na stopniu trzecim. Utlenienie, stopień utlenienia – w chemii to pojęcia związane elektronami walencyjnymi. Wbrew nazwie nie muszą mieć związku z tlenem, ale w omawianym przypadku właśnie miały. Zatem tlen, zanim z zamieszkanego przez sinice oceanu dopłynął do atmosfery, był wychwytywany przez żelazo. To spowolniło jego dyfuzję do atmosfery. Gdy już się do niej dostał, wchodził w reakcje z minerałami (także zawierającymi żelazo) lądowymi i nadal nie tworzył znaczącej frakcji w powietrzu.

Dopiero gdy utlenił, co było do utlenienia, jego nadwyżki, wciąż wytwarzane z wody przez fotosyntetyzujące sinice, mogły dłużej krążyć po atmosferze, a niektóre utworzyły ozon. Rzecz w tym, że to wytwarzanie było najwyraźniej mało wydajne. Według niektórych szacunków współczesne rośliny i glony wytworzyłyby odpowiednią ilość tlenu w ciągu tysięcy lat, a nie milionów czy setek milionów.

Kilkanaście dni temu w „Nature Communications” ukazał się artykuł próbujący wyjaśnić tę przewlekłość. Hipotez jest parę, ale autorzy tej przypuszczają, że kluczowa była właśnie wrażliwość sinic na ultrafiolet. Współczesne sinice mają różne mechanizmy, które próbują osłabiać zabójcze działanie tego promieniowania, ale pewnych rzeczy nie da się przeskoczyć. Zbyt dobra osłona przed ultrafioletem odetnie też promieniowanie czynne fotosyntetycznie (nie ma żadnego inteligentnego projektanta, który by umieścił nad powierzchnią Ziemi selektywny filtr). Między tymi dwiema potrzebami musi dojść do kompromisu. Wbrew pozorom glony najgęściej nie występują tuż pod powierzchnią wody, gdzie miałyby najwięcej światła, ale trochę głębiej. Nadmiar nasłonecznienia wręcz osłabia fotosyntezę, co ma swoją nazwę – fotoinhibicja.

Zdaniem autorów okres słabej ekspansywności sinic w archaiku był wynikiem silnej presji ultrafioletu. Ostatecznie ilość tlenu powoli, lecz systematycznie wzrastała i w końcu wytworzyła się ochronna warstwa, dzięki której sinice mogły śmielej sięgać powierzchni wód i wychodzić na ląd. Zanim to się stało, warstwa toni wodnej, w której było dość światła do fotosyntezy, ale bez zabójczej dawki UV, była cienka.

Autorzy postawili również hipotezę, że w tym czasie rolę filtra mogła odegrać zawiesina. Obecnie ultrafiolet w wodzie rozprasza się m.in. na substancjach organicznych powstających z rozkładu roślin – humusowych. W archaiku ich zapewne nie było, za to wiadomo, że w wodzie dużo było żelaza i krzemionki, które tworzyły związki i zawiesinę. Tego dotyczy zasadnicza część artykułu – badacze sprawdzili, jak współczesne sinice są chronione przed promieniowaniem ultrafioletowym w wodzie z taką zawiesiną. Okazuje się, że owszem, jest to pewna ochrona. Może nie jakoś superwydajna, ale jak zwykł powtarzać Richard Dawkins w swoich książkach o utrwalaniu drobnych zmian ewolucyjnych – w świecie ślepców jednooki jest królem. Taka ochrona dawała zawsze te parę centymetrów, a może i metrów toni wodnej do życia.

Dzięki temu sinice mogły coraz ekspansywniej zajmować nowe środowisko, a im ich było więcej, tym więcej było tlenu i coraz lepszym filtrem stawała się atmosfera. To zaś ostatecznie pozwoliło na zasiedlenie lądu i płytszych wód śródlądowych.

fot. Piotr Panek, licencja CC BY-SA 4.0