Att driva en massiv biosfär på jorden, fotosyntes är den ljusmedierade reaktionen som omvandlar koldioxid och vatten till kolhydrater och syre. För cirka 2,3 miljarder år sedan, denna reaktion ledde till en dramatisk syresättning av jordens atmosfär.
Det finns bevis för att syresläppande fotosyntes utvecklats mycket tidigare-kanske så tidigt som för 3 miljarder år sedan. Dock, den syrerika atmosfären som vi tar för given idag har funnits i endast cirka 10 procent av jordens 4,5 miljarder år långa historia. Varför skedde syresättning av atmosfären så mycket senare än utvecklingen av syrefrigörande fotosyntes?
"Den slående eftersläpningen har förblivit ett bestående pussel inom jordhistoria och planetvetenskap, säger Christopher Reinhard, en biträdande professor vid School of Earth and Atmospheric Sciences (EAS).
Reinhard, tidigare EAS-postdoktor Kazumi Ozaki, och medarbetare har föreslagit en lösning på pusslet. Deras fynd, publiceras i Naturkommunikation , tyder på att i haven på den tidiga jorden, syrefrisättande fotosyntesapparater kunde inte konkurrera effektivt med sina primitiva motsvarigheter.
Moderna fotosyntesapparater förbrukar vatten och frigör syre. Primitiva konsumerar istället upplösta järnjoner - vilket skulle ha varit rikligt i de tidiga jordens hav. De producerar rost som en biprodukt istället för syre.
Med hjälp av experimentell mikrobiologi, genomik, och storskalig biogeokemisk modellering, "vi fann att fotosyntetiska bakterier som använder järn istället för vatten är hårda konkurrenter om ljus och näringsämnen, säger Ozaki, tidningens första författare och nu biträdande professor vid institutionen för miljövetenskap vid Toho University, i Japan. "Vi föreslår att deras förmåga att konkurrera ut syreproducerande fotosyntetisatorer är en viktig komponent i jordens globala syrecykel."
Studien är en del av Reinhards forskningsmål att förstå hur utvecklingen av den fotosyntetiska biosfären styrde sammansättningen av jordens atmosfär. "Vi vill förstå tidpunkten för stora biologiska innovationer och deras inverkan på kemin i jordens hav och atmosfär. Vi anser att dessa principer är centrala för att förstå vårt eget evolutionära ursprung och sökandet efter liv bortom vårt solsystem."
"Våra resultat bidrar till en djupare kunskap om de biologiska faktorer som styr den långsiktiga utvecklingen av jordens atmosfär, "Ozaki säger." De erbjuder en bättre mekanistisk förståelse av de faktorer som främjar syresättning av atmosfären på jordliknande planeter bortom vårt solsystem. "Resultaten" ger en helt ny fördel för att bygga teoretiska modeller av jordens biogeokemiska syrecykel. , ", tillägger Reinhard.
