(oneechanblog) – 約23億年前、酸素が大気中に蓄積し始め、最終的には今日私たちが呼吸する生命維持レベルに達しました。 MITの科学者によって提案された新しい仮説は、これがどのように起こったのかについてのメカニズムを示唆しています。 写真は古原生代の生物の例です。 クレジット：MIT News
微生物と鉱物が地球の酸素化を引き起こした可能性があります
科学者たちは、酸素が最初に大気中に蓄積したかもしれない新しいメカニズムを提案しています。
地球の歴史の最初の20億年の間、空気中にはほとんど酸素がありませんでした。 この期間の後半までにいくつかの微生物が光合成していましたが、世界の生物圏に影響を与えるレベルの酸素はまだ蓄積されていませんでした。
しかし、約23億年前のどこかで、この安定した低酸素平衡が変化し、酸素が大気中に蓄積し始め、最終的には今日私たちが呼吸する生命維持レベルに達しました。 この急速な注入は、酸素の大量発生、またはGOEとして知られています。 イベントを引き起こし、惑星を低酸素ファンクから引き離したのは、科学の大きな謎の1つです。
によって提案された新しい仮説[{“attribute =””> MITの科学者は、特定の海洋微生物と海洋堆積物中のミネラルとの相互作用のおかげで、酸素が最終的に大気中に蓄積し始めたことを示唆しています。これらの相互作用は、酸素の消費を防ぎ、自己増幅プロセスを開始します。ますます多くの酸素が大気中に蓄積するために利用可能になりました。
科学者たちは、数学的および進化的分析を使用して仮説を立て、GOEの前に実際に存在し、研究者が提案した方法で堆積物と相互作用する能力を進化させた微生物が存在することを示しました。
彼らの研究は、今日ネイチャーコミュニケーションズに掲載されており、微生物と鉱物の共進化を地球の酸素化に結び付ける最初の研究です。
「おそらく、惑星の歴史の中で最も重要な生物地球化学的変化は、大気の酸素化でした」と、MITの地球大気惑星科学部（EAPS）の地球物理学教授である研究著者のダニエルロスマンは述べています。 「微生物、鉱物、および地球化学的環境の相互作用が、大気中の酸素を増加させるためにどのように協調して作用したかを示します。」
この研究の共著者には、筆頭著者の元MIT大学院生であるHaitao Shangと、EAPSの地球生物学の准教授であるGregoryFournierが含まれています。
ステップアップ
今日の大気中の酸素レベルは、酸素を生成するプロセスとそれを消費するプロセスの間の安定したバランスです。 GOEの前は、大気は異なる種類の平衡を維持しており、酸素の生産者と消費者のバランスが取れていましたが、大気に余分な酸素をあまり残さなかった方法でした。
惑星をある安定した酸素欠乏状態から別の安定した酸素豊富な状態に押し上げることができたのは何でしょうか？
「地球の歴史を見ると、古原生代と新原生代の2回のジャンプがあり、低酸素の定常状態からはるかに高い酸素の定常状態に移行したようです」とFournier氏は述べています。 「これらのジャンプは、過剰な酸素が徐々に増加したためではあり得ませんでした。この安定性の段階的変化を引き起こすフィードバックループが必要でした。」
彼と彼の同僚は、そのような正のフィードバックループが、消費者が有機炭素を利用できないようにする海洋のプロセスから来たのではないかと考えました。有機炭素は主に酸化によって消費され、通常は酸素の消費を伴います。これは、海洋の微生物が酸素を使用して、堆積物に沈殿したデトリタスなどの有機物を分解するプロセスです。チームは疑問に思いました：酸素の存在がそのさらなる蓄積を刺激するいくつかのプロセスがあったでしょうか？
ShangとRothmanは、次の予測を行う数学モデルを作成しました。微生物が有機物を部分的にのみ酸化する能力を持っている場合、部分的に酸化された物質、つまり「POOM」は効果的に「粘着性」になり、材料をさらなる酸化から保護する方法で沈殿させます。材料を完全に分解するために消費されたはずの酸素は、代わりに大気中に自由に蓄積されます。彼らは、このプロセスが正のフィードバックとして機能し、大気を新しい高酸素平衡に押し上げる自然なポンプを提供する可能性があることを発見しました。
「それは私たちに尋ねさせました、POOMを生み出した微生物代謝はそこにありますか？」フーリエは言います。
遺伝子の中で
これに答えるために、チームは科学文献を検索し、今日の深海の有機物を部分的に酸化する微生物のグループを特定しました。これらの微生物は細菌グループSAR202に属しており、それらの部分酸化は酵素、バイヤービリガーモノオキシゲナーゼ、またはBVMOを介して実行されます。
チームは系統発生分析を実施して、微生物と酵素の遺伝子をどこまでさかのぼって追跡できるかを確認しました。彼らは、バクテリアには確かにGOEの前にさかのぼる祖先があり、酵素の遺伝子は、GOE以前の時代までさかのぼってさまざまな微生物種にわたって追跡できることを発見しました。
さらに、彼らは、遺伝子の多様化、または遺伝子を獲得した種の数が、GOEの古原生代、および新原生代を含む、大気が酸素化のスパイクを経験したときに大幅に増加したことを発見しました。
「POOM産生遺伝子の多様化と大気中の酸素レベルとの間にいくつかの時間的相関関係があることがわかりました。
,”シャンは言います。 「それは私たちの全体的な理論をサポートしています。」
この仮説を確認するには、実験室での実験から現場での調査まで、そしてその間のすべてのことまで、はるかに多くのフォローアップが必要になります。 彼らの新しい研究で、チームは地球の大気を酸素化したものの古くからの事件で新しい容疑者を紹介しました。
「新しい方法を提案し、その妥当性の証拠を示すことは、最初の、しかし重要なステップです」とFournierは言います。 「これは研究に値する理論であると特定しました。」
参照：「酸化的代謝は地球の酸素化を触媒しました」、Haitao Shang、Daniel H. Rothman、Gregory P. Fournier、2022年3月14日、NatureCommunications。
DOI：10.1038 / s41467-022-28996-0
この作業は、mTerraCatalystFundとNationalScienceFoundationによって部分的にサポートされました。
