Oksigen merangkumi 21% atmosfer Bumi, dan kita memerlukannya untuk bernafas. Bakteria kuno menghasilkan enzim pelindung yang menghalang oksigen merosakkan DNA mereka, tetapi apa insentif evolusi yang harus mereka lakukan? Para penyelidik telah menemui bahawa sinar ultraviolet yang memukul permukaan es glasier dapat melepaskan oksigen molekul. Jajahan bakteria yang tinggal di dekat ais ini perlu mengembangkan pertahanan pelindung ini. Mereka kemudian dilengkapi dengan baik untuk menangani pertumbuhan oksigen atmosfera yang dihasilkan oleh bakteria lain yang biasanya beracun.
Dua setengah bilion tahun yang lalu, ketika nenek moyang evolusi kita hanya sedikit dalam sekejap membran plasma bakteria, proses yang dikenali sebagai fotosintesis tiba-tiba memperoleh keupayaan untuk melepaskan oksigen molekul ke atmosfera Bumi, menyebabkan salah satu perubahan persekitaran terbesar di sejarah planet kita. Organisme yang dianggap bertanggungjawab adalah cyanobacteria, yang diketahui telah mengembangkan kemampuan mengubah air, karbon dioksida, dan sinar matahari menjadi oksigen dan gula, dan masih ada hingga sekarang sebagai alga biru-hijau dan kloroplas di semua tanaman hijau.
Tetapi para penyelidik telah lama bingung bagaimana cyanobacteria dapat membuat semua oksigen itu tanpa meracuni diri mereka sendiri. Untuk mengelakkan DNA mereka dihancurkan oleh radikal hidroksil yang secara semula jadi berlaku dalam penghasilan oksigen, sianobakteria harus mengembangkan enzim pelindung. Tetapi bagaimana pemilihan semula jadi boleh menyebabkan cyanobacteria mengembangkan enzim ini jika keperluan untuk itu belum ada?
Kini, dua kumpulan penyelidik di California Institute of Technology memberikan penjelasan tentang bagaimana cyanobacteria dapat mengelakkan percanggahan yang nampaknya tidak ada harapan ini. Melaporkan dalam Prosiding 12 Disember Akademi Sains Nasional (PNAS) dan tersedia dalam talian minggu ini, kumpulan menunjukkan bahawa sinar ultraviolet yang menyerang permukaan ais glasial boleh menyebabkan pengumpulan oksidan beku dan akhirnya pembebasan oksigen molekul ke dalam lautan dan atmosfera. Titik racun ini kemudian dapat mendorong evolusi enzim pelindung oksigen dalam berbagai mikroba, termasuk cyanobacteria. Menurut Yuk Yung, seorang profesor sains planet, dan Joe Kirschvink, Profesor Geobiologi Van Wingen, penyelesaian UV-peroksida adalah "agak sederhana dan elegan."
"Sebelum oksigen muncul di atmosfer, tidak ada layar ozon untuk menyekat sinar ultraviolet dari permukaan," jelas Kirschvink. "Apabila cahaya UV menyentuh wap air, ia mengubahnya menjadi hidrogen peroksida, seperti barang yang anda beli di pasar raya untuk rambut pemutih, ditambah sedikit gas hidrogen.
"Biasanya peroksida ini tidak akan bertahan lama kerana reaksi belakang, tetapi semasa glasiasi, hidrogen peroksida membeku pada satu darjah di bawah titik beku air. Sekiranya cahaya UV meresap ke permukaan glasier, sejumlah kecil peroksida akan terperangkap di dalam es glasier. " Proses ini sebenarnya berlaku hari ini di Antartika ketika lubang ozon terbentuk, memungkinkan cahaya UV yang kuat menerpa ais.
Sebelum ada oksigen di atmosfer Bumi atau layar UV, es glasial akan mengalir ke laut, mencair, dan melepaskan sejumlah kecil peroksida terus ke air laut, di mana jenis reaksi kimia lain mengubah peroksida kembali menjadi air dan oksigen. Ini berlaku jauh dari sinar UV yang akan membunuh organisma, tetapi oksigen berada pada tahap yang sangat rendah sehingga cyanobacteria dapat mengelakkan keracunan oksigen.
"Lautan adalah tempat yang indah untuk enzim pelindung oksigen berkembang," kata Kirschvink. "Dan setelah enzim pelindung itu ada, ia membuka jalan untuk kedua fotosintesis oksigen berkembang, dan untuk pernafasan aerobik sehingga sel-sel dapat benar-benar menghirup oksigen seperti yang kita lakukan."
Bukti teori itu berasal dari pengiraan penulis utama Danie Liang, lulusan baru sains planet di Caltech yang kini berada di Pusat Penyelidikan Perubahan Alam Sekitar di Academia Sinica di Taipei, Taiwan.
Menurut Liang, pembekuan serius yang dikenali sebagai Bumi Bola Salji Makganyene terjadi 2,3 bilion tahun yang lalu, pada masa itu cyanobacteria mengembangkan kemampuan menghasilkan oksigen mereka. Semasa episod Snowball Earth, peroksida yang cukup dapat disimpan untuk menghasilkan oksigen hampir sebanyak yang ada di atmosfer sekarang.
Sebagai bukti tambahan, tahap oksigen yang dianggarkan ini juga cukup untuk menjelaskan pemendapan ladang mangan Kalahari di Afrika Selatan, yang memiliki 80 persen simpanan ekonomi mangan di seluruh dunia. Deposit ini terletak tepat di atas jejak geologi terakhir dari Bola Salji Makganyene.
"Dulu kami menganggap itu adalah mekar sianobakteria setelah glasiasi ini yang membuang mangan keluar dari air laut," kata Liang. "Tetapi mungkin oksigen dari penguraian peroksida setelah bola salji yang melakukannya."
Selain Kirschvink, Yung, dan Liang, pengarang lain adalah Hyman Hartman dari Pusat Kejuruteraan Bioperubatan di MIT, dan Robert Kopp, seorang pelajar siswazah dalam bidang geobiologi di Caltech. Hartman, bersama dengan Chris McKay dari Pusat Penyelidikan Ames NASA, adalah pendukung awal untuk peranan yang dimainkan oleh hidrogen peroksida dalam asal dan evolusi fotosintesis oksigen, tetapi mereka tidak dapat mengenal pasti sumber anorganik yang baik untuknya di persekitaran prambrium Bumi.
Sumber Asal: Siaran Berita Caltech
