Holocaustul oxigenului - una din cele mai spectaculoase şi mai importante revoluţii din istoria vieţii

S-a întâmplat în eonul Archean târziu, acum două miliarde de ani. Hidrogenul sulfurat produs în erupţiile vulcanilor devenise insuficient pentru hrănirea vastelor comunităţi de bacterii fotosintetice care dominau solurile umede şi apele întinse. Formarea universului nostru este considerată a fi avut loc cu 15 miliarde de ani în urmă. După trecerea primului milion de ani de la aşa numitul Bing Bang, universul 's-a răcit' până la  100 de miliarde de grade Kelvin. Dar abia când a ajuns la 3000 de grade Kelvin, protonul şi electronul s-au putut alătura să formeze hidrogenul, cel mai simplu şi cel mai abundent element din univers. Au mai trecut încă multe miliarde de ani ca norii de hidrogen să se contracte sub acţiunea forţei gravitaţionale ca să formeze primele stele în care vor avea loc reacţiile termonucleare care vor forma elemente mai grele. În norul de gaze care avea să devină Pământul se aflau hidrogen, heliu, carbon, azot, oxigen, ca şi fier, aluminiu, aur, uraniu, sulf, fosfor şi siliciu. Şi alte planete au început formarea lor din nori de gaze similare, evoluând în jurul stelei centrale. 

În urmă cu 4,5 miliarde de ani, Pământul beneficia de câteva circumstanţe propice pentru instalarea vieţii. Dintre planetele Sistemului Solar, el se afla la o distanţă convenabilă faţă de astrul central, pentru ca elementele sale să nu fie expulzate sub formă de gaz sau să ajungă îngheţate sub formă de amoniac sau de metan solidificat. Gravitaţia Pământului era destul de mare ca să menţină o atmosferă. Până ce hidrogenul să înceapă să se piardă, fiind prea uşor, o parte din el s-a combinat, creând metan, apă, amoniac şi hidrogen sulfurat. Apa a rămas în stare lichidă iar atmosfera era destul de transparentă pentru ca lumina Soarelui să o poată străbate. Contracţia continuă a Pământului şi ploile torenţiale au continuat sute de mii de ani, formând mări cu gaze bogate în hidrogen. Erupţiile vulcanice alimentau şi ele atmosfera cu vaporii de gaz rămaşi captivi în interiorul  Pământului. Este vorba de o perioadă, cunoscută şi sub numele de Marea Erupţie. Pământul se rotea repede: 5 ore de zi şi 5 ore de noapte.

Oamenii se îngrijorează astăzi serios din cauza creşterii bioxidului de carbon din atmosferă, de la 0,032 la 0,033 %, cauzată de arderea masivă de către oameni a combustibililor fosili. Este de presupus că "efectul de seră", al încălzirii suplimentare prin păstrarea unui exces de CO2, ar putea topi calotele de gheaţă, ar ridica nivelul mărilor şi ar inunda oraşele de coastă. Lumile fosile din eonul Archean arată o creştere uimitoare a oxigenului atmosferic de la 0,0001% la 21%. Lucru petrecut printr-un holocaust , care rivalizează cu un război nuclear, ca acela de care ne temem noi astăzi. A fost timpul când a părut una din cele mai spectaculoase şi mai importante revoluţii din istoria vieţii.

Cum s-a întâmplat aceasta?

Din perspectiva formări vieţii primitive la nivel planetar, nu pare deloc surprinzător faptul că dezvoltarea repertoriului biochimic al vieţii a avut nevoie de două miliarde de ani. Adică, stadiul microbian a durat aproape de două ori mai mult decât restul evoluţiei până în zilele noastre.

Evoluţia bacteriilor a transformat suprafaţa Pământului dintr-un teren lunar acoperit cu cratere din roci cristaline vulcanice într-o planetă fertilă în care acum avem şi noi casa noastră. Lumea primordială, străină, fără oxigen în atmosferă, putea să continue. În ciuda vecinilor noştri - planetele Marte şi Venus, a căror atmosferă a rămas un amestec de bioxid de carbon, stabil chimic - Pământul a căpătat energie. Născut graţie timpului scurs, el a devenit inundat de procese de viaţă creativă, reproductibilă. 

La început biosfera putea suporta contaminarea cu oxigen. Atâta timp cât au existat destule metale şi gaze care puteau reacţiona cu el, oxigenul nu s-a acumulat în atmosferă. Producerea de oxigen, diferă în funcţie de sezon - mai mare vara când activitatea fotosintetică este mai mare, mai mică iarna. Depinzând de accesul la hidrogen şi hidrogen sulfurat, unii microbi fotosintetici au început să folosească, în mod alternativ, atât producţia de oxigen cât şi fotosinteza fără oxigen. 

Înregistrările fosile paleobiologice arată că aportul de oxigen prin fotosinteză a fost singurul eveniment care a condus în final la mediul nostru modern. Dar, totodată, înregistrările fosile de minerale arată o creştere bruscă a cantităţii de oxigen atmosferic, exact după ce producţia de oxigen atmosferic produs prin fotosinteză ajunsese la nivelul minim. Este vorba de roci vechi, cu concentraţii de grafit şi altele cu benzi alternante de diferite feluri de oxizi de fier  - hematit oxidat şi magnetit mai puţin oxidat, cu grosimi de milimetrii sau de metrii. Majoritatea acestor tipuri de roci, din eonul Proterozoic, constituie 90% din rezervele de fier din lume.

Scara Timpului Geologic - (versiune prescurtată, conform L. Margulis şi D. Sagan)

Bacteriile fotosintetice au putut să colaboreze şi la construcţia benzilor de fier. Aceste bacterii extrag energia din diferite substanţe, prin reacţii chimice şi oxidul ajunge să fie depozitat de-a lungul corpului lor lung şi fibros. Într-o lume lipsită de oxigen astfel de bacterii au proliferat probabil atât deasupra cât şi dedesubtul zonelor de producţie a oxigenului. Benzile alternante de minereu de fier pot constitui o mărturie a relaţiilor primordiale cu algele albastre-verzi : hematitul putea fi produs vara, când cyan-bacteriile produceau mai mult oxigen, care ducea la fier mai ruginit, în timp ce straturile de magnetit erau probabil alcătuite iarna, când producţia de oxigen fotosintetic şi deci oxidarea fierului era în acalmie.

O altă mărturie spectaculoasă a activităţilor de viaţă aerobică a bacteriilor celor mai vechi este accesibilitatea la zăcămintele de aur, metalul atât de preţuit în toată istoria umană. 70% din aurul extras în lume se obţine din zăcămintele din Transvaal, Africa de sud, formate în Archean. Minerii sunt ghidaţi în depistarea aurului de straturile bogate în carbon organic (filamente şi structuri sferice microscopice, inexplicabile doar din punct de vedere mineralogic), încastrate în calcarul şi marna cu vinişoare de pirită, aur şi minereu de aur. Aceste adausuri organice sunt interpretate ca fragmente de licheni fosilizaţi. Oricare din coloniile de bacterii fotosintetice care dăinuiau de-lungul coastelor râurilor puteau să fi jucat un rol aici. Există şi astăzi anumite bacterii care produc cianuri - o substanţă chimică folosită de către companiile de minerit la exploatarea aurului, pentru extragerea aurului din rocile sedimentare bogate în carbon. 

Proba cea mai clară a existenţei confederaţiilor de bacterii primitive, atât de extinse, sunt totuşi, stromatolitele  din Proterozoic, asemănătoare recifurilor de corali. Straturi de roci care au fost odată covoare de microbi. Sub stratul superior al fotosintetizatorilor sunt populaţii prospere de fotosintetizatori anaerobi, care sunt depozitarii sulfului. Şi mai jos, există microbii dependenţi, care trăiesc pe seama producţiei sau rămăşiţelor de corpuri ale celorlalte straturi. Au apărut mii de specii de fotosintetizatori aerobi, adaptaţi la roci, locuri cu apă caldă şi spumă. Pentru că oxigenul împreună cu lumina constituie un mediu letal, odată cu creşterea concentraţiei de oxigen, multe specii de microbi au fost exterminate. Din primele zile ale expunerii la oxigenul local, transferul de gene s-a făcut prin multiplicare şi au rezultat multe mecanisme de protecţie. Noile gene au fost tot atât de utile ca nişte manuale de supravieţuire. Informaţiile adiţionale pe care le conţineau, erau aşa de valoroase pentru vieţuire pe noul Pământ contaminat cu oxigen, încât a avut loc reorganizarea microcosmosului. Bioluminiscenţa şi sinteza vitaminei E sunt unele din inovaţiile pe care savanţii le consideră un răspuns la ameninţarea oxigenului. Dar adaptarea nu se opreşte aici. 

Faţă în faţă cu una din cele mai mari lovituri din toate timpurile, cyan-bacteriile au inventat un sistem metabolic care a necesitat tocmai substanţa care a fost o toxină mortală. Respiraţia aerobă, respiraţia pe bază de oxigen, este o cale eficientă, ingenioasă, de adaptare şi exploatare a reactivităţii oxigenului. Este controlată astfel, în mod esenţial, combustia care descompune moleculele organice şi generează bioxid de carbon, apă şi o mare cantitate de energie la preţ scăzut. Microcosmosul a făcut mai mult decât să se adapteze: el a dezvoltat un mecanism care pe bază de oxigen a schimbat viaţa şi locul de reşedinţă terestru pentru totdeauna. Cyan-bacteriile au dobândit atunci atât fotosinteza care a generat oxigenul cât şi respiraţia care l-a consumat. Ele şi-au găsit locul sub soare. În prezenţa razelor solare, unele săruri prezente în apele naturale, în prezenţa bioxidului de carbon atmosferic, se pot asocia şi forma: acizi nucleici, proteine, vitamine ca şi mecanismele care să le producă. 

Dacă doar capacitatea de biosinteză ar fi fost luată în seamă, ca o cale pentru avansul evolutiv, noi oamenii am fi putut ajunge mult mai departe, doar urmând cursul cyan-bacteriilor. Solicitările noastre nutriţionale complicate ne-au lăsat însă dependenţi în totalitate de plante şi microbi, ca să putem căpăta ceea ce noi nu putem elabora singuri. Noi suntem, într-un sens foarte clar, paraziţi ai microcosmosului. 

Stabilizarea oxigenului atmosferic la aproximativ 21 procente pare a fi un consens mut, atins de mediul biologic cu milioane de ani în urmă. Este un contract respectat încă şi în zilele noastre. O cale de evaluare a acestui lucru, dacă am presupune că viaţa s-ar opri din cauza acumulării de oxigen, ar fi necesitatea de a dezvolta sisteme inginereşti antipoluare de un nivel nemaipomenit. O perspectivă alternativă, cum ar fi controlul cibernetic al suprafeţei Pământului folosind organismele inteligente ar reclama problema presupunerii unicităţii conștiinței umane. Microbii în mod aparent nu planifică să ia sub control o criză de poluare cu proporţii atât de surprinzător de alarmante. Deocamdată nu există vre-o agenţie guvernamentală pe Pământul de astăzi care să o poată controla. Dezvoltându-se, metamorfozându-se şi schimbând gene, unele bacterii producătoare de oxigen şi altele transferându-l, menţin echilibrul oxigenului pe planetă. Astfel, imediat ce cantităţile de oxigen din aer au devenit importante s-a creat în atmosferă şi un înveliş suplimentar de ozon. El s-a format în stratosferă, plutind dincolo de ultimele straturi de aer. Acest înveliş constituit din molecule cu trei atomi de oxigen a pus capăt sintezei abiotice a compuşilor organici prin oprirea razelor ultraviolete de energie mai înaltă. Producţia hranei şi oxigenului din lumină însemna a produce microbi ca bază a unui ciclu de hrană global care s-a perpetuat până astăzi; animalele nu vor putea vreodată să se dezvolte fără hrana rezultată din fotosinteză şi fără oxigenul din aer. Dar deosebirea dintre diferitele celule bacteriene fără nucleu şi celulele cu fond genetic este pe departe mai mare decât diferenţa dintre plante şi animale.

La mijlocul Vârstei Proterozoice, cu 1500 de milioane de ani în urmă, majoritatea evoluţiei biochimice a fost terminată. Suprafaţa modernă a Pământului şi atmosfera au fost pe larg stabilite. Viaţa microbiană a ameliorat aerul, solul şi apa, a ciclat gazele şi alte elemente, prin fluide ale Pământului care există şi astăzi. Cu excepţia câtorva compuşi exotici, cum ar fi uleiurile esenţiale şi halucinogene ale plantelor care înfloresc şi a veninului foarte eficace al şarpelui, microbii primari pot contribui la asamblarea şi dezasamblarea tuturor moleculelor vieţii moderne. Judecând dintr-o perspectivă de realizare la nivel planetar a vieţii primitive, nu apare astfel surprinzător că dezvoltarea repertoriului biochimic al vieţii a acoperit două miliarde de ani. Stadiul microbian a durat aproape de două ori mai mult decât restul evoluţiei până în ziua de azi. 

Suntem înconjuraţi de un ecosistem format din animale mai mult sau mai puţin asemănătoare nouă, de plante care ne seamănă ceva mai puţin dar de care în definitiv depindem pentru hrană şi de bacterii care seamănă cu strămoşii noștri îndepărtaţi şi la care noi ne vom reîntoarce cu toţii când ne descompunem, atunci când ne-a trecut timpul. 

Bibliografie:

Carl Sagan, DIVERSITATEA EXPERIENŢEI ŞTIINŢIFICE. Traducere din limba engleză şi note de Harry Minţi. Editată de Curtea Veche, Bucureşti, 2009.

Lynn Margulis and  Dorion Sagan, MICROCOSMOS. Four Billion years of Microbial Evolution, University of California Press,1997.

Richard Dawkins, THE GREATEST SHOW ON EARTH, Free Press, 2009.