În urmă cu miliarde de ani, microorganisme numite cianobacterii au început să descompună moleculele de apă, eliberând o substanţă – oxigenul – care s-a dovedit o otravă pentru vieţuitoarele anaerobe ale acelor vremuri. Tocmai fusese perfecţionată fotosinteza, care a schimbat pentru totdeauna lumea vie şi a dus la biodiversitatea pe care o cunoaştem azi, scrie Descopera.ro.

Pentru prima dată, oamenii de ştiinţă au găsit dovezi geologice care marchează momentul imediat anterior acestei mari schimbări în evoluţie. Descoperirile schiţează scenariul exact al acestui eveniment care a dat naştere lumii moderne, cu atmosfera ei bogată în oxigen, ducând la diversitatea de forme de viaţă pe care o cunoaştem azi.

„A fost cea mai mare schimbare petrecută vreodată în biosferă”, spune Kevin Redding de la Arizona State University. „Extincţia provocată de oxigen a fost, probabil, cea mai mare extincţie survenită vreodată, dar, în acelaşi, timp, viaţa animalelor n-ar fi fost posibilă fără oxigen.”

Procesul de fotosinteza utilizează lumina şi o sursă de electroni pentru a genera energie şi a alimenta cu ea organismele.

În lumea vie de azi, sursa de electroni este apa, oxigenul fiind un „produs secundar” al acestui proces. Dar nu există niciun indiciu că s-ar fi format oxigen atunci când a apărut pentru prima dată fotosinteza, acum aproximativ 3,4 milioane de ani; aşadar, primele organisme fotosintetizante îşi procurau probabil electroni prin descompunerea altor molecule, precum hidrogenul sulfurat, nu a apei.

Lucrurile s-au schimbat însă drastic acum 2,4 milioane de ani, când, după cum arată depozitele geologice de minerale oxidate, în atmosferă a început să se acumueze oxigen. Apăruse fotosinteza aşa cum o cunoaştem noi astăzi.

Pentru a înţelege cum s-au petrecut lucrurile, o echipă de oameni de ştiinţă de la California Institute of Technology a studiat roci foarte vechi din Africa de Sud, formate cu puţin înainte de momentul fatidic de acum 2,4 milioane de ani.

Analizele arată că, deşi aceste roci s-au format în condiţiile de anoxie (lipsa oxigenului) care predominaseră pe Pământ încă de la formarea planetei, tot manganul existent în aceste roci se depozitase acolo sub formă oxidată.

Dar, în absenţa oxigenului, manganul nu se oxidează cu uşurinţă, ci doar sub acţiunea unui catalizator.

Cea mai bună explicaţie, spun cercetătorii, ar fi aceea că un organism fotosintetizant utiliza iniţial manganul ca sursă de electroni. „Răpind” electronii atomilor de mangan, rămâneau în urmă ioni de mangan, instabili, care reacţionau cu apa, formând oxizii descoperiţi de cercetători în roci.

La plantele şi algele de azi, manganul încă joacă un  rol esenţial în fotosinteză. În structurile fotosintetizante din celulă se găsesc cristale de substanţe bogate în mangan, care furnizează electronii necesari în procesul de fotosinteză. Aceste cristale iau apoi electroni din moleculele de apă, pentru a-şi compensa deficitul. Acastă circulaţie permanentă a electronilor stă la baza descompunerii moleculelor de apă şi a generării oxigenului pe care îl respirăm.

Acest proces complex ar putea avea totuşi o origine simplă, după cum sugerează scenariul propus în 2007 de John Allen de la Queen Mary University din Londra, Marea Britanie, şi William Martin de la Universitatea din Düsseldorf, Germania. Ei consideră că fotosinteza de tip modern a apărut atunci când cianobacteriile timpurii au ajuns, din întâmplare, în ape cu conţinut bgat de mangan şi s-au adaptat rapid pentru a profita de această nouă sursă de electroni.

Ulterior, deoarece rezervele de mangan sunt relativ limitate şi nu pot fi exploatate la nesfârşit, cianobacteriile au dezvoltat o nouă strategie. Au incorporat manganul direct în structurile lor fotosintetizante şi l-au folosit ca pe un fel de baterie reîncărcabilă, luându-i electronii, apoi permiţându-i să îşi refacă stocul de electroni dintr-o altă resursă, care se găsea din abundenţă: apa.

Descoperirile făcute de echipa de la California Institute of Technology reprezentă dovada stadiului iniţial al acestui proces: un mediu anoxic (lipsit de oxigen) bogat în mangan care a fost privat de electroni şi lăsat astfel în starea sa oxidată, aproape sigur de către o cianobacterie primitivă. Este o dovadă geochimică importantă, care confirmă scenariile prezise de teoriile evoluţiei.