Kyslík a jeho historie na Zemi

Kyslík představuje značnou část atmosféry Země – ve vzduchu, který dýcháme, ho je 21%. Ale v dávné historii Země byl vzácný — možná ve vzduchu dokonce zcela chyběl. To se změnilo před necelými 2,3 miliardami let (tzv. „Great Oxidation Event“). Přítomnost plynného kyslíku v zemské atmosféře umožnila vývoj organismů dýchajících vzduch. Mezi ně patří i mnoho dnešních organismů, včetně nás, lidí.

Současný výzkum vědců z MIT ukazuje, že O₂ byl na Zemi patrně už stovky miliónů let před tím, než se objevil v atmosféře. Udržoval se v „kyslíkových oázách“ v oceánech. Výzkumní pracovníci z MIT našli důkaz, že drobné aerobní organismy se mohou vyvínout ve formy schopné přežít při extrémně nízkém obsahu kyslíku v těchto podmořských oázách. V laboratorních experimentech bývalý student MIT Jacob Waldbauer, pracující s profesorem geobiologie Rogerem Summonsem a Diannou Newmanovou, dříve oddělení bilogie na MIT a nyní na California Institute of Technology, zjstili, že kvasinka — organismus, který umí přežít za přítomnosti kyslíku v i jeho nepřítomnosti — je schopný produkovat klíčové komponenty vázané na kyslík, dokonce jen s nepatrným množstvím plynného kyslíku.

Nálezy ukazují, že dávný předek kvasinky mohl být podobně schopný využít nepatrné množství kyslíku, které tehdy bylov oceánech. Tým publikovat svoje nálezy minulých týden v Proceedings of the National Academy of Sciences.

Výsledky této skupiny možná pomohou vyřešit spor uvnitř vědecké komunity: přibližně před 10 lety geochemici objevili usazené horniny obsahující fosilní steroidy, nezbytnou složku buněčných membrán dávných organismů.

Vytvořit jednu molekulu sterolu, jako je například cholesterol, od úplného začátku – vyžaduje nejméně 10 molekul O₂; nalezené fosilní steroidy však vznikly 300 miliónů let před tím, než se kyslík objevil v atmosféře. To někteří vědci interpretují jako nejstarší důkaz přítomnosti kyslíku na Zemi. Ale protože jiné důkazy přítomnosti kyslíku na Zemi z podobné doby jsou nepřesvědčivé, mnoho geologů se ptá, jestli fosilní steroidy jsou nepochybným dokladem dávného kyslíku.

Waldbauer a kolegové se domnnívají, že O₂ byl na Zemi o 300 miliónů let před tím, než se objevil v atmosféře — právě v extrémně nízkých koncentracích, které nemohly zanechat jinou stopu v horninách. Zdůvodňují to tím, že dokonce i při zcela nepatrných koncentracích, O₂ může stačit aerobním organismům produkujícím steroly.

K otestování své teorie se vědci podívali na kvasinku jako model. Kvasinka používá O₂ v kombinaci s cukry k syntéze ergosterolu, svého primárního sterolu. Kvasinka umí růst i bez O₂ a to tak dlouho, dokud má zajištěný nějaký zdroj ergosterolu. Aby zjistili nejmenší množství O₂, které kvasince stačí, resp. které dokáže zužitkovat, vědci vytvořili speciální experiment. Cílem experimentu bylo určit bod, ve kterém se přepne anaerobní metabolismus kvasinky v aerobní. Waldbauer pěstoval buňky kvasinek se směsí esenciálních látek, včetně ergosterolu a glukózy označené uhlíkem C-13. Zjistilo se, že bez kyslíku kvasinky vesele spotřebovávaly sterol ze živného roztoku, ale žádný vlastní nevyrobily. Když Waldbauer přidal nepatrné dívky kyslíku, metabolismus se přepnul, a kvasinky začaly využívat O₂ v kombinaci s glukózou k výrobě vlastního sterolu. Uhlík C-13 umožnil rozlišit sterol dodaný kvasinkám od sterolu, který si kvasinky samy vyrobily.

Vědci zjistili, že kvasinky dokážou využít kyslík i při nanomolárních koncentracích O₂ – to je mnohem nižší koncentrace, než se očekávalo. To podporuje teorii, že kyslík — a jeho producenti a konzumenti — mohli určitě existovat dlouho před objevením se kyslíku v atmosféře.

Waldbauer a Summons se domnívají, že produkce a spotřeba kyslíku se mohla v oceánech objevit stovky miliónů let před tím, než se v atmosféře objevila první stopa vzdušného kyslíku. Tvrdí, že s největší pravděpodobností, sinice, modrozelené řasy žijící na povrchu oceánu, vyvinuly schopnost vyrábět kyslík s pomocí slunečního svitu procesem známým jako fotosyntéza. Zpočátku byl ale kyslík rychle spotřebováván dávnými aerobními organismy. Velké množství vulkanického materiálu obshajícího železo a síru, který se dostával do atmosféry i oceánu, spotřebovalo zbývající kyslík. I poté, co se kyslík začal uvolňovat z oceánu do atmosféry, byl zpočátku absorbován horninami na povrchu pevniny, obsahujícími látky, které se snadno slučují s kyslíkem. Část kyslíku se také dostávala do stratosféry, kde vytvářela základ dnešní ozónové vrstvy. Teprve o 300 miliónů let později převážila produkce kyslíku modrozelenými řasami nad jeho spotřebou nejrůznějšími procesy a chemickými rezervoáry (tzv. „oxygen sinks“). Modrozeleným řasám – neúnavným továrnám na kyslík – vděčíme za celý další vývoj života za Zemi.