Model giver en klarere idé om, hvordan ilt kom til at dominere Jordens atmosfære

En model, der simulerer, hvordan Jordens iltproducerende cyanobakterier udviklede sig over tid, har identificeret vendepunktet, hvor enorme mængder af den vitale gas begyndte at fylde vores planets atmosfære, hvilket muliggjorde diversificering og spredning af komplekse livsformer.

Forskere har foreslået flere forklaringer på det, der er kendt som Great Oxidation Event (GOE) - den pludselige stigning i iltniveauer, der begyndte for omkring 2,3 milliarder år siden og sandsynligvis var forbundet med fremkomsten og spredningen af ​​cyanobakterier. Men den præcise måde, hvorpå ilt steg fra lave niveauer for at dominere Jordens atmosfære, har været uklar.

"Tidligere undersøgelser har foreslået forskellige ideer til, hvordan dette foregik, men de manglede generelt evnen til at undersøge, hvordan det udviklende økosystem kunne feed back på miljøet og påvirke dynamikken," siger Jacky Austermann, en astrobiolog ved University of California, Los Angeles. Angeles. "Her viser vi, at når først iltproducerende cyanobakterier når en vis koncentration, er de faktisk i stand til at drive planeten ind i en tilstand domineret af ilt."

En af de første mikroorganismer, cyanobakterier, findes i næsten alle økosystemer på Jorden, og er kendt som "blågrønne alger" på grund af deres pigmentfarve og evne til at udføre fotosyntese - en proces, der bruger solens energi til at omdanne kuldioxid og vand til sukkerarter.

Et biprodukt af fotosyntesen er oxygen. Atmosfæren i dag består af 21 procent ilt, hvoraf det meste menes at være blevet genereret over millioner af år af gamle fotosyntese.

Hvad der ikke vides, er, hvorfor atmosfæren var så iltfattig, før cyanobakterier dukkede op - det anslås at have været mindre end 0,1 procent af dets nuværende niveau, selvom selv det er nok til at understøtte simple former for liv.

For at løse dette spørgsmål udviklede Austermann og kolleger en model til at undersøge stigningen og spredningen af ​​cyanobakterier i havene og simulerede de forhold, hvorunder havene ville gå over til at blive domineret af ilt.

Holdet startede med at udvikle en model af et hav indeholdende de enkleste livsformer, som ikke producerede ilt. De introducerede derefter et begrænset antal cyanobakterier, hvis populationer begyndte at vokse, da fotosyntesen drev dem til at udnytte tilgængelige ressourcer.

Forskerne kørte deres model flere gange, med varierende antallet af initiale cyanobakterier og hastigheden af ​​forskellige biokemiske processer, såsom fotosyntese, forvitring og iltforbruget af andre mikrober.

De fandt ud af, at der er en kritisk tærskel for cyanobakteriekoncentration, ud over hvilken havene gennemgår en hurtig og irreversibel overgang fra at være domineret af ikke-iltproducerende organismer til at blive domineret af cyanobakterier.

Mens den nøjagtige befolkningstæthed ved denne tærskel kan variere under forskellige omstændigheder, beregner holdet, at det krævede, at den samlede biomasse af cyanobakterier nåede op på cirka en ti tusindedel af det samlede organiske kulstof - byggestenene i alle levende organismer - indeholdt i økosystemet.

"Hvis kun en lille mængde cyanobakterier kan generere en løbsk iltstigning, kan det forklare den relativt pludselige natur af GOE i den geologiske registrering," siger Benjamin Johnson, en palæobiolog også ved UCLA.

Deres model identificerede også de faktorer, der var mest ansvarlige for den store oxidationsbegivenhed:den var mest følsom over for styrken af ​​kemisk forvitring og koncentrationen af ​​visse slags jernoxiderende bakterier.

Forskerne siger, at det næste skridt er at undersøge andre scenarier end den simple eksponentielle væksthastighed af cyanobakterielle populationer, de brugte her, og at udforske feedback-effekterne af andre komponenter i kulstofkredsløbet.