Απολιθώματα που εντοπίστηκαν στην Αυστραλία αποκαλύπτουν πολύτιμα στοιχεία για το πότε εμφανίστηκαν στη Γη οι πρώτοι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί. Πρόκειται για απολιθώματα κυανοβακτηρίων, των πρώτων μικροοργανισμών στον πλανήτη μας που μπορούσαν να φωτοσυνθέσουν, να παράξουν, δηλαδή σύνθετα οργανικά μόρια από απλούστερες χημικές ενώσεις, με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας. Τα απολιθώματα των κυανοβακτηρίων αναδεικνύουν μια εντυπωσιακή εξελικτική πορεία που ξεκινά πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.
Η εξέλιξη της ζωής στη Γη και οι ιδιαίτερες και μοναδικές συνθήκες που επέτρεψαν στους οργανισμούς να αποκτήσουν την τεράστια ποικιλομορφία τους οφείλονται σε μεγάλο βαθμό στους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς. Οι πρώτοι οργανισμοί που εμφανίστηκαν στη Γη πριν από περίπου 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια ήταν αντιμέτωποι με πολύ δύσκολες συνθήκες. Επικρατούσε έντονη ηφαιστειακή δραστηριότητα και ο βομβαρδισμός από τους μετεωρίτες ήταν συνεχής. Παράλληλα τα πρώτα έμβια όντα ήταν εκτεθειμένα σε υψηλή ακτινοβολία και έπρεπε να μπορούν να επιβιώσουν σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Η αρχέγονη ατμόσφαιρα περιείχε κυρίως διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και νερό. Επομένως οι οργανισμοί είχαν αναερόβιο μεταβολισμό και χρησιμοποιούσαν χημικές ουσίες που ήταν διαλυμένες στο υδάτινο περιβάλλον όπου βρίσκονταν για να εξασφαλίσουν ενέργεια.
Μέσα σε αυτό το απόκοσμο σκηνικό εμφανίστηκαν οι πρώτοι οργανισμοί που μπορούσαν να αξιοποιήσουν την ενέργεια του Ήλιου και να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας σε οξυγόνο. Οι οργανισμοί αυτοί, που υπάρχουν ακόμα και σήμερα, είναι τα μικροσκοπικά κυανοβακτήρια. Πρόκειται για μονοκύτταρους μικροοργανισμούς με πολύ απλή εσωτερική δομή με γαλαζοπράσινο χρώμα που ζουν σε υδάτινα περιβάλλοντα. Συχνά συγκεντρώνονται σε μεγάλες ποσότητες και το νερό αποκτά εξαιτίας τους πράσινο χρώμα.
Η παραγωγή και η απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων οξυγόνου από τα κυανοβακτήρια άλλαξε δραστικά την αρχέγονη ατμόσφαιρα. Οι συγκεκριμένοι μικροοργανισμοί ήταν οι πρώτοι που είχαν την ικανότητα να χρησιμοποιούν το νερό και να παράγουν οξυγόνο μέσα από βιοχημικές διεργασίες που πραγματοποιούνταν στο εσωτερικό του μοναδικού τους κυττάρου. Σταδιακά το οξυγόνο που παρήγαγαν συσσωρεύτηκε στους ωκεανούς και άρχισε να απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Εκεί αντιδρούσε με το μεθάνιο το οποίο ήταν το πιο άφθονο αέριο στην αρχέγονη ατμόσφαιρα. Το οξυγόνο αντικατέστησε τελικά το μεθάνιο στην ατμόσφαιρα και έγινε το κυρίαρχο συστατικό της. Αυτές οι αλλαγές στην ατμόσφαιρα περιγράφονται από την επιστημονική κοινότητα ως το “Μεγάλο Οξειδωτικό Γεγονός” (“Great Oxygenation Event”).
Το Μεγάλο Οξειδωτικό Γεγονός αποτελεί μια κομβική στιγμή στην ιστορία της ζωής στον πλανήτη μας. Η επίδρασή του ήταν καταλυτική όχι μόνο στη χημική σύσταση της ατμόσφαιρας αλλά και στις προσαρμογές και στην εξέλιξη των έμβιων όντων. Οι αλλαγές που ακολούθησαν από εκεί και πέρα άνοιξαν το δρόμο για την εμφάνιση των σύνθετων και ποικίλων οργανισμών που χαρακτήριζαν και εξακολουθούν να χαρακτηρίζουν τη ζωή στη Γη. Οι οργανισμοί κατόρθωσαν να επιβιώσουν στις νέες συνθήκες και ξεκίνησαν να αξιοποιούν το οξυγόνο σε διαδικασίες του μεταβολισμού τους για να εξασφαλίσουν ενέργεια. Επιπρόσθετα, οι οργανισμοί έγιναν στην συντριπτική πλειοψηφία τους αερόβιοι και αυξήθηκαν σε μέγεθος και αριθμό. Απέκτησαν, επίσης, πολύπλοκη πολυκύτταρη δομή και άρχισαν να επιτελούν σύνθετες λειτουργίες. Πλέον, εκτός από τα κυανοβακτήρια, υπάρχουν πολυάριθμα είδη φυτών που μπορούν να φωτοσυνθέσουν. Μπορούν, επομένως, να χρησιμοποιήσουν την ηλιακή ενέργεια και να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό που αποκτούν από το περιβάλλον τους σε γλυκόζη ή άλλα οργανικά μόρια. Μέρος της οργανικής ύλης που συνθέτουν οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί την χρησιμοποιούν για να καλύψουν τις ανάγκες τους σε ενέργεια και να επιτελέσουν τις διάφορες λειτουργίες τους ή την αποθηκεύουν στα κύτταρά τους. Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί παρέχουν τροφή και οξυγόνο όχι μόνο για την κάλυψη των δικών τους αναγκών αλλά και για όλους τους υπόλοιπους οργανισμούς που εξαρτώνται άμεσα ή έμμεσα από αυτούς για την επιβίωσή τους.
Απολιθώματα βακτηρίων που υπολογίζεται ότι έζησαν στη Γη πριν από 1,75 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια πριν μελέτησε ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Λιέγης στο Βέλγιο. Οι ερευνητές κατόρθωσαν να απομονώσουν και να μελετήσουν τα μικροσκοπικά κυανοβακτήρια από πολύ παλιά απολιθώματα. Μέσα σε αυτά τα κύτταρα ανακαλύφθηκαν δομές που μοιάζουν με τις μεμβράνες πάνω στις οποίες πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης στα σύγχρονα κυανοβακτήρια. Οι μεμβράνες αυτές ονομάζονται θυλακοειδή. Μέχρι σήμερα ήταν γνωστό με βάση τα διαθέσιμα απολιθώματα και τη φυλογενετική ανάλυση της εξέλιξης των φωτοσυνθετικών οργανισμών ότι τα πρώτα κυανοβακτήρια που έφεραν θυλακοειδή εμφανίστηκαν στη Γη πριν από περίπου 550 εκατομμύρια χρόνια. Σύμφωνα με νεότερα στοιχεία που δημοσίευσε η προαναφερθείσα ερευνητική ομάδα στις αρχές του Ιανουαρίου τα πρώτα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια εμφανίστηκαν πολύ νωρίτερα στη Γη. Το γεγονός αυτό τοποθετεί τη φωτοσύνθεση πολύ πιο νωρίς χρονολογικά στην ιστορία της Γης σε σχέση με τις επικρατούσες αντιλήψεις και αναμένεται για εμπλουτίσει τη γνώση σχετικά με τα πρώτα οικοσυστήματα που εμφανίστηκαν στον πλανήτη μας και με την εξέλιξη της ζωής σε αυτόν.
Πηγή:
Demoulin, C.F., Lara, Y.J., Lambion, A. et al. Oldest thylakoids in fossil cells directly evidence oxygenic photosynthesis. Nature (2024).
