Odpowiedź na tę zagadkę może kryć się w zaskakującym połączeniu pierwiastków, które przez miliardy lat utrzymywały Ziemię w stanie uśpienia. Badacze z Okayama University w Japonii przedstawili fascynującą teorię, która łączy nikiel i mocznik w niezwykłej opowieści o opóźnionej ewolucji. Ich odkrycie rzuca zupełnie nowe światło na to, jak niepozorne związki chemiczne mogły kształtować losy całej planety.
Kiedy Ziemia wzięła pierwszy oddech?
Według pracy opublikowanej w Communications Earth & Environment kluczowe okazały się konkretne stężenia tych substancji. Nikiel w ilościach przekraczających 150 nmol/l oraz mocznik w stężeniu równym lub wyższym niż 2 mmol/l tworzyły środowisko całkowicie nieprzyjazne dla sinic. Można to porównać do posiadania silnika gotowego do pracy, ale z zaciągniętym hamulcem ręcznym – mechanizm istniał, jednak nie mógł rozwinąć pełnej mocy.
Czytaj też: Nowe źródło tlenu na Ziemi. Naukowcy dokonali zdumiewającego odkrycia
Naukowcy nie poprzestali na samych teoriach. Przeprowadzili dwuetapowy eksperyment odtwarzający warunki panujące na Ziemi sprzed 2,4 miliarda lat. W pierwszej fazie połączyli amoniak, cyjanki i związki żelaza, a następnie poddali mieszaninę działaniu promieniowania ultrafioletowego typu C. Wyniki były jednoznaczne – mocznik powstawał we wszystkich napromieniowanych roztworach, co sugeruje, że mógł być naturalnie produkowany w archaicznych siedliskach sinic.
W drugiej części badania hodowano sinice Synechococcus sp. PCC 7002 w różnych stężeniach niklu i mocznika. Organizmy wykazywały wybielanie komórek już przy stężeniu mocznika wynoszącym 2 mmol/l. Co ciekawe, optymalne stężenie niklu okazało się wynosić ok. 136 nmol/l, przy czym wyższe wartości wyraźnie hamowały wzrost.
Relacja między niklem a mocznikiem przypomina skomplikowany taniec chemiczny. Nikiel wpływa zarówno na abiotyczne tworzenie się mocznika w środowisku, jak i na jego biologiczne wykorzystanie przez sinice. Te mikroorganizmy używają enzymu ureazy do rozkładu mocznika, ale sam enzym potrzebuje niklu do prawidłowego funkcjonowania, co tworzy złożoną zależność.
Interesujące obserwacje poczyniono również podczas hodowli sinic na płytkach agarowych. W tym środowisku mikroorganizmy wykazywały znacznie większą tolerancję na mocznik – wybielanie następowało dopiero przy stężeniu 50 mmol/l, czyli 20 razy wyższym niż w płynnym medium. Naukowcy sugerują, że spowolniona dyfuzja składników odżywczych w matach bakteryjnych mogła działać jak naturalny bufor, zmniejszając szkodliwe efekty wysokich stężeń mocznika.
To odkrycie ma znacznie szersze implikacje dla naszej wiedzy o ewolucji cyklu azotowego. Dowody na metanogenezę sięgają ponad 3,46 mld lat wstecz, a niektóre wskazówki sugerują nawet 4,1 mld lat. Metan w atmosferze umożliwiał fotochemiczną produkcję cyjanowodoru, który stanowił główne źródło cyjanków będących prekursorem mocznika.
Po Wielkim Wydarzeniu Utleniania sytuacja uległa diametralnej zmianie. Wzrost poziomu tlenu i powstanie warstwy ozonowej ograniczyły produkcję mocznika, tworząc presję ewolucyjną na rozwój alternatywnego mechanizmu pozyskiwania azotu. Odpowiedzią okazała się nitrogenaza – enzym wiążący azot atmosferyczny.
Jeszcze bardziej kontrowersyjne jest odkrycie dotyczące izotopów azotu. Frakcjonowanie izotopowe podczas asymilacji mocznika przez sinice mieści się w tym samym zakresie, co frakcjonowanie produkowane przez nitrogenazy molibdenowe. To sugeruje, że dotychczasowe interpretacje geochemiczne mogły błędnie przypisywać wczesne wiązanie azotu wyłącznie nitrogenazie, podczas gdy w rzeczywistości sinice mogły wykorzystywać mocznik jako główne źródło tego pierwiastka.