Kaya kaydı oksijen geçmişini aydınlatır
Dünya tarihindeki birkaç önemli an, insanların soruyu cevaplamamıza yardımcı olur, "Buraya nasıl geldik?" Bu anlar da soruya ışık tuttu, "Nereye gidiyoruz"? - Bilim adamlarına organizmaların çevrelerindeki fiziksel ve kimyasal değişikliklere nasıl uyum sağladıkları hakkında daha derin bir fikir sunmak. Bunların arasında 2 milyar yıl önce Büyük Oksidasyon Olayı (Goe) olarak bilinen genişletilmiş bir evrimsel olay var. Bu, ilk kez, insanların ve diğer birçok yaşam formunun hayatta kalması için gerekli olan fotosentez tarafından üretilen oksijenin atmosferde önemli miktarlarda birikmeye başladığı belirtildi.
GOE'den önce (~ 2,4 milyar yıldan fazla) zaman içinde geri döndüyseniz, büyük ölçüde anoksik (oksijensiz) bir ortamla karşılaşırsınız. O zaman gelişen organizmalar anaerobikti, yani oksijen gerektirmediler ve enerji üretmek için fermantasyon gibi süreçlere dayanıyorlardı. Bu organizmaların bazıları bugün hala asidik kaplıcalar ve hidrotermal havalandırma delikleri gibi aşırı ortamlarda bulunmaktadır.
Goe, Dünya'nın yüzey geçmişindeki en derin kimyasal dönüşümlerden birini tetikledi. Bir gezegenden, atmosferik oksijenden etkili bir şekilde yoksun - ve karmaşık yaşama sahip olmayan - bugün bildiğimiz biyosferi destekleyen oksijenli bir atmosfere olan bir gezegenden geçmeyi işaret etti.
Bilim adamları uzun zamandır atmosferik oksijendeki büyük değişimlerin zamanlamasını ve nedenlerini saptamakla ilgileniyorlar, çünkü insanlar da dahil olmak üzere karmaşık yaşamın nasıl olduklarını anlamak için temeller. Bu kritik dönem hakkındaki anlayışımız hala şekillenirken, Syracuse Üniversitesi'nden bir araştırmacı ekibi ve MIT - kelimenin tam anlamıyla - Goe'nin zamanlaması hakkında ipuçlarını ortaya çıkarmak için Güney Afrika'nın altındaki antik kaya çekirdeklerine derin kazıyor. Çalışmaları, artan oksijen seviyelerine yanıt olarak biyolojik evrimin hızına ve ökaryotların ortaya çıkmasına doğru uzun, karmaşık yolculuk (hücreleri bir membran içinde bir çekirdek içeren organizmalar) hakkında yeni bir fikir verir.
Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri Dergisi'nde yayınlanan çalışma, projeyi MIT'de doktora sonrası yardımcı olarak tamamlayan ve Syracuse Üniversitesi Dünya Bilimleri Profesörü Christopher Junium ile kimyasal analizlerde işbirliği yapan Benjamin Uveges '18 Ph.D. tarafından yönetildi.
Kaya gömülü cevaplar
Araştırma ekibi, zaman içinde geri adım atmak için Güney Afrika'nın çeşitli yerlerinden toplanan tortul kaya çekirdeklerini analiz etti. Bu yerler dikkatle seçildi, çünkü 2,2 ila 2,5 milyar yıl öncesine dayanan kayalar, Goe'nin kanıtlarını korumak için ideal yaş aralığına giriyor. Ekip, bu kayalara gömülü stabil izotopik oranları analiz ederek, daha fazla oksijen açısından zengin koşulların bir göstergesi olan nitrat varlığını gerektiren okyanus süreçlerinin kanıtlarını ortaya çıkardı.
Eski tortuyu analiz etmek için Uveges, Syracuse Üniversitesi'nde Dünya ve Çevre Bilimleri Doçenti olan Junium ile çalıştı. Junium, gelecekteki küresel değişimi daha iyi anlamak için geçmiş ortamların nasıl geliştiğini incelemede uzmanlaşmıştır. En son teknoloji enstrümanları, eser azot seviyelerinin doğru okumalarını elde etmek için gereklidir.
Uveges, "Bu çalışma için analiz ettiğimiz kayalarda çok düşük azot konsantrasyonları vardı, bu çalışma için kullanılan geleneksel enstrümantasyonla ölçmek için çok düşük" diyor. "Chris, dünyada tipik minimumdan 100 ila 1.000 kat daha az azotlu örneklerde azot izotop oranlarını ölçebilen sadece bir avuç enstrümandan birini inşa etti."
Junium'un laboratuarında ekip, bir izotop oranı kütle spektrometresi (IRMS) adı verilen bir araç kullanarak Güney Afrika kaya örneklerinden azot izotop oranlarını analiz etti. Numuneler önce toz haline getirildi, kimyasal olarak spesifik bileşenleri çıkarmak için tedavi edildi, daha sonra gaza dönüştürüldü. Bu gaz iyonize edildi (yüklü parçacıklara dönüştürüldü) ve izotopları kütlelerine göre ayıran manyetik bir alandan hızlandı. IRMS daha sonra geçmişte azotun nasıl işlendiğini ortaya çıkarabilen ⁵n ila ⁴n oranını ölçtü.
Peki bu süreç geçmiş oksijen seviyelerini nasıl ortaya çıkarır? Mikroplar (mikroorganizmalar için kısaltma), tortuların kaya olmadan önce kimyasal yapısını etkiler ve azotun nasıl işlendiğine ve kullanıldığına dair izotopik imzalar bırakır. Zaman içinde ⁵n ila ⁴n'deki değişiklikleri izlemek, bilim adamlarının Dünya'nın çevresinin, özellikle oksijen seviyelerinin nasıl geliştiğini anlamalarına yardımcı olur.
Oksijen zaman çizelgesini yeniden yazmak
Uveges'e göre, en şaşırtıcı bulgu, okyanusun aerobik azot döngüsünün zamanlamasında bir değişimdir. Kanıtlar, azot döngüsünün çözünmüş oksijene daha önce düşünüldüğünden yaklaşık 100 milyon yıl önce duyarlı hale geldiğini gösteriyor - bu da okyanustaki oksijen birikmesi ile atmosferdeki birikimi arasında önemli bir gecikme olduğunu gösteriyor.
Junium, bu sonuçların, organizmaların biyokimyasal makinelerini azotu, emmesi ve kullanması daha zor olan daha oksitlenmiş bir formda işlemek için güncellemeleri gerektiğinde azot döngüsünde kritik bir devrilme noktasını işaret ettiğini not eder.
Junium, "Bütün bunlar, organizmaların oksijenik fotosentezin enerji kazançlarından yararlanmak ve yan ürünü oksijenle uğraşmaya aşamalı adaptasyonlar arasındaki dengeyi bulmak zorunda kaldığı uzun süren bir çile olduğu ortaya çıkan bir fikre uyuyor.
Fotosentez yoluyla üretilen oksijen atmosferde birikmeye başladığında, oksijendeki bu artış, birçok anaerobik organizmanın yok olmasına yol açtı ve aerobik solunumun evrimi için zemin hazırladı - glikozu parçalamak için oksijen kullanan ve kas hareketi, beyin aktivitesi ve diğer hayvanlarda hücresel bakım gibi fonksiyonlar için gerekli enerjiyi sağlayan bir süreç.
Uveges, "İlk 2 artı milyar yıllık Dünya tarihi için okyanuslarda veya atmosferde son derece az serbest oksijen vardı" diyor. "Buna karşılık, bugün oksijen atmosferin beşte birini ve esasen tüm karmaşık çok hücreli yaşamı, solunum için buna dayandığını bildiğimiz gibi oluşturuyor. Bu nedenle, bir bakıma oksijenin yükselişini ve kimyasal, jeolojik ve biyolojik etkilerini incelemek, gezegen ve yaşamın mevcut duruma nasıl ulaşılmasının nasıl geliştiğini inceliyor."
Bulguları, oksijen üreten fotosentezin evriminden sonra Dünya'nın yüzey ortamlarının ne zaman oksijen açısından zengin hale geldiğine dair anlayışımızı yeniden şekillendiriyor. Araştırma ayrıca, bilim adamlarının Goe'den önce ve sonra farklı yaşam biçimlerinin nasıl geliştiğini modellemelerine yardımcı olabilecek önemli bir biyojeokimyasal kilometre taşını tanımlamaktadır.
Uveges, "Umarım bulgularımız bu büyüleyici zaman aralığı hakkında daha fazla araştırmaya ilham verecek" diyor. "Çalıştığımız kaya çekirdeklerine yeni jeokimyasal teknikler uygulayarak, Goe ve onun Dünya üzerindeki yaşam üzerindeki etkisinin daha ayrıntılı bir resmini oluşturabiliriz."
Bu çalışma, bir NSF Kariyer Ödülü (Syracuse Üniversitesi - Christopher Junium) ve Simons Vakfı İşbirliği Ödülü (MIT - Benjamin Uveges, Gareth Izon ve Roger Summons) dahil olmak üzere hibelerle finanse edildi.