Το μοντέλο δίνει σαφέστερη ιδέα για το πώς το οξυγόνο ήρθε να κυριαρχήσει στην ατμόσφαιρα της Γης
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει αρκετές εξηγήσεις για αυτό που είναι γνωστό ως το μεγάλο γεγονός οξείδωσης (GOE) - η ξαφνική αύξηση των επιπέδων οξυγόνου που ξεκίνησε πριν από περίπου 2,3 δισεκατομμύρια χρόνια και πιθανότατα συνδέθηκε με την εμφάνιση και την εξάπλωση των κυανοβακτηρίων. Αλλά ο ακριβής τρόπος με τον οποίο το οξυγόνο αυξήθηκε από χαμηλά επίπεδα για να κυριαρχήσει η ατμόσφαιρα της Γης ήταν ασαφής.
"Προηγούμενες μελέτες έχουν προτείνει διαφορετικές ιδέες για το πώς συνέβη αυτό, αλλά γενικά δεν είχαν την ικανότητα να εξετάσουν πώς το εξελισσόμενο οικοσύστημα θα μπορούσε να τροφοδοτήσει το περιβάλλον και να επηρεάσει τη δυναμική", λέει ο Jacky Austermann, αστροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια του Λος Άντζελες. "Εδώ δείχνουμε ότι μόλις τα κυανοβακτήρια που παράγουν οξυγόνο φτάνουν σε μια ορισμένη συγκέντρωση, είναι πραγματικά σε θέση να οδηγήσουν τον πλανήτη σε μια κατάσταση που κυριαρχείται από οξυγόνο".
Ένας από τους πρώτους μικροοργανισμούς, τα κυανοβακτήρια βρίσκονται σε σχεδόν κάθε οικοσύστημα στη γη και είναι γνωστά ως "μπλε-πράσινα φύκια" λόγω του χρώματος της χρωστικής τους και της ικανότητάς τους να εκτελούν φωτοσύνθεση-μια διαδικασία που χρησιμοποιεί την ενέργεια του ήλιου για να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε σάκχαρα.
Ένα υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης είναι το οξυγόνο. Η σημερινή ατμόσφαιρα είναι 21 % οξυγόνο, τα περισσότερα από τα οποία πιστεύεται ότι έχουν δημιουργηθεί για εκατομμύρια χρόνια από τους αρχαίους φωτοσυνδέστες.
Αυτό που δεν είναι γνωστό είναι γιατί η ατμόσφαιρα ήταν τόσο φτωχό οξυγόνο πριν εμφανιστεί τα κυανοβακτήρια-εκτιμάται ότι ήταν λιγότερο από το 0,1 % του τρέχοντος επιπέδου της, αν και αυτό αρκεί για να υποστηρίξει απλές μορφές ζωής.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό το ερώτημα, ο Austermann και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν ένα μοντέλο για να διερευνήσουν την άνοδο και την εξάπλωση των κυανοβακτηρίων στους ωκεανούς και προσομοίωσαν τις συνθήκες στις οποίες οι ωκεανοί θα μεταβαίνουν στην κυριαρχία του οξυγόνου.
Η ομάδα ξεκίνησε αναπτύσσοντας ένα μοντέλο ενός ωκεανού που περιέχει τις απλούστερες μορφές ζωής, οι οποίες δεν παρήγαγαν οξυγόνο. Στη συνέχεια εισήγαγαν έναν περιορισμένο αριθμό κυανοβακτηρίων, των οποίων οι πληθυσμοί άρχισαν να αναπτύσσονται καθώς η φωτοσύνθεση τους οδήγησε να εκμεταλλευτούν τους διαθέσιμους πόρους.
Οι ερευνητές έτρεξαν το μοντέλο τους πολλές φορές, με μεταβολή του αριθμού των αρχικών κυανοβακτηρίων και των ποσοστών διαφορετικών βιοχημικών διεργασιών, όπως η φωτοσύνθεση, η και οι καιρικές συνθήκες και η κατανάλωση οξυγόνου άλλων μικροβίων.
Διαπίστωσαν ότι υπάρχει ένα κρίσιμο όριο συγκέντρωσης κυανοβακτηρίων πέρα από την οποία οι ωκεανοί υφίστανται μια ταχεία και μη αναστρέψιμη μετάβαση από την κυριαρχία των μη οξυγονικών οργανισμών που κυριαρχούν από κυανοβακτήρια.
Ενώ η ακριβής πυκνότητα του πληθυσμού σε αυτό το όριο θα μπορούσε να ποικίλει υπό διαφορετικές συνθήκες, η ομάδα υπολογίζει ότι απαιτούσε τη συνολική βιομάζα των κυανοβακτηρίων για να φτάσει σε περίπου ένα δέκα χιλιοστό του συνολικού οργανικού άνθρακα-τα δομικά στοιχεία όλων των ζωντανών οργανισμών-που περιέχονται στο οικοσύστημα.
"Εάν μόνο μια μικροσκοπική ποσότητα κυανοβακτηρίων μπορεί να δημιουργήσει μια αύξηση οξυγόνου δράσου, αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τη σχετικά απότομη φύση του GoE στο γεωλογικό αρχείο", λέει ο Benjamin Johnson, παλαιοβιολόγος επίσης στην UCLA.
Το μοντέλο τους αναγνώρισε επίσης τους παράγοντες που είναι πιο υπεύθυνοι για το μεγάλο συμβάν οξείδωσης:ήταν πιο ευαίσθητο στη δύναμη της χημικής και την και τη συγκέντρωση ορισμένων ειδών βακτηρίων οξείδας σιδήρου.
Οι ερευνητές λένε ότι το επόμενο βήμα είναι να εξεταστούν σενάρια εκτός από τον απλό εκθετικό ρυθμό ανάπτυξης των κυανοβακτηριακών πληθυσμών που χρησιμοποίησαν εδώ και να διερευνήσουν τα αποτελέσματα ανάδρασης άλλων συστατικών του κύκλου του άνθρακα.
