Ο σίδηρος είναι ένα από τα πιο άφθονα μέταλλα στην επιφάνεια της Γης, ωστόσο ο τρόπος σχηματισμού τεράστιων κοιτασμάτων σιδηρομεταλλεύματος κατά τη διάρκεια της γεωλογικής ιστορίας παρέμενε επί μακρόν μυστήριο. Η επικρατούσα θεωρία υποστήριζε ότι αρχαία φωτοσυνθετικά βακτήρια οξείδωναν τον σίδηρο, προκαλώντας την καθίζηση και τη συσσώρευσή του στους ωκεανούς.
Οι μικροοργανισμοί
Τώρα, μια ομάδα Κορεατών ερευνητών ανακάλυψε μικροοργανισμούς που οξειδώνουν τον σίδηρο, καθώς και βασικά γονίδια, σε θαλάσσια ιζήματα κάτω από το παγοκρηπίδωμα Larsen C της Ανταρκτικής — ένα περιβάλλον απομονωμένο από το φως και το οξυγόνο. Τα πειράματά τους επιβεβαίωσαν ότι μια βασική πρωτεΐνη, η οποία κωδικοποιείται από αυτούς τους μικροοργανισμούς, μπορεί να οξειδώσει τον σίδηρο, προσφέροντας νέα στοιχεία για τον τρόπο σχηματισμού τεράστιων κοιτασμάτων σιδήρου στην αρχέγονη Γη.
Μέσω μεταγονιδιωματικής ανάλυσης, εντόπισαν έναν νέο κλάδο χημειολιθοτροφικών βακτηρίων, ικανών να οξειδώνουν τον σίδηρο(II) σε περιβάλλοντα όπου το φως και το οξυγόνο είναι περιορισμένα. Επίσης, απέδειξαν πειραματικά ότι η πρωτεΐνη Cyc2 του βακτηρίου —μια πρωτεΐνη σύντηξης πορίνης-κυτοχρώματος που εντοπίζεται στην εξωτερική βακτηριακή μεμβράνη— λειτουργεί ως βιοκαταλύτης, μετατρέποντας τον σίδηρο(II) σε σίδηρο(III).
Η θεωρία της «Γης-Χιονόμπαλας» αμφισβητεί το μοντέλο της φωτοσύνθεσης
Αυτή η ανακάλυψη είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς ο σίδηρος και το οξυγόνο αποτελούν κρίσιμα στοιχεία για την κατανόηση της ιστορίας της Γης και της εξέλιξης της ζωής. Ειδικότερα, οι τεράστιοι σχηματισμοί ταινιωτού σιδήρου (BIFs) —που αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα σιδήρου και πυριτίου— θεωρούνταν επί μακρόν ότι είχαν σχηματιστεί μέσω της δραστηριότητας φωτοσυνθετικών βακτηρίων.
Ωστόσο, οι σχηματισμοί BIF που χρονολογούνται από την περίοδο «Γη-Χιονόμπαλα» (Snowball Earth) του Κρυογένιου αιώνα (εντός της Νεοπρωτεροζωικής περιόδου) —κατά την οποία πιστεύεται ότι ο πλανήτης ήταν καλυμμένος από πάγο πάχους εκατοντάδων μέτρων— αποτέλεσαν σημαντική πρόκληση για αυτή την υπόθεση. Η ερευνητική ομάδα εντόπισε κρίσιμα στοιχεία κάτω από τα παγοκρηπιδώματα της Ανταρκτικής. Το DNA ιζημάτων αποκαλύπτει ένα βακτήριο που οξειδώνει τον σίδηρο
Το 2013, το ερευνητικό παγοθραυστικό σκάφος Araon συνέλεξε έναν πυρήνα ιζήματος της Ολοκαίνου περιόδου, μήκους 2,4 μέτρων (GC16B), από τον πυθμένα της θάλασσας σε βάθος 324 μέτρων, κοντά στο παγοκρηπίδωμα Larsen C — μια περιοχή που βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της κλιματικής αλλαγής. Η ερευνητική ομάδα ανέλυσε τις γενετικές πληροφορίες της μικροβιακής κοινότητας που περιέχονταν στο περιβαλλοντικό DNA αυτού του πυρήνα. Αυτό το στρώμα ιζήματος διατηρεί αρχεία του θαλάσσιου περιβάλλοντος, το οποίο μεταβλήθηκε παράλληλα με τις αλλαγές του παγοκρηπιδώματος σε διάστημα περίπου 12.000 ετών, από την τελευταία παγετώδη περίοδο του Τεταρτογενούς (εντός του Καινοζωικού αιώνα) έως σήμερα.
Η ομάδα εντόπισε βακτήρια που λειτουργούν ως κόμβοι δικτύου εντός του αναερόβιου μικροβιακού οικοσυστήματος στρωμάτων ιζήματος, τα οποία παρουσιάζουν ομοιότητες με τους σχηματισμούς σιδηρούχων πετρωμάτων (BIFs) που δημιουργούνται κάτω από το παγοκρηπίδωμα. Παρατήρησαν μια εναλλασσόμενη κυριαρχία μεταξύ δύο διακριτών μικροβιακών ομάδων που συνδέονται στενά με αυτά τα βακτήρια. Αυτό το κυκλικό πρότυπο θα μπορούσε να προσφέρει μια βιολογική εξήγηση για την επαναλαμβανόμενη στρωμάτωση (ζωνοποίηση) που παρατηρείται στα BIFs.
Οι ερευνητές ανασύνθεσαν και ανέλυσαν το γονιδίωμα αυτού του είδους-κλειδιού, αποκαλύπτοντας ότι πρόκειται για μια νέα γενεαλογική γραμμή χημειολιθοτροφικών βακτηρίων. Η πειραματική επαλήθευση επιβεβαίωσε την παρουσία του στα δείγματα ιζήματος. Το βακτήριο ονομάστηκε προσωρινά «Candidatus Mariimomonas ferrooxydans». Στο γονιδίωμά του, η ομάδα ανακάλυψε ένα γονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη Cyc2, η οποία πιστεύεται ότι εμπλέκεται στη διαδικασία οξείδωσης του σιδήρου.
Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα κλωνοποίησε το γονίδιο cyc2 σε βακτήρια *E. coli* και προχώρησε στην έκφρασή του, παρατηρώντας ότι ο σίδηρος(II) οξειδωνόταν ταχύτατα σε αδιάλυτο σίδηρο(III), οδηγώντας σε καθίζηση. Αυτό παρέχει άμεση πειραματική απόδειξη της δραστηριότητας οξείδωσης σιδήρου από το ένζυμο Cyc2. Δεδομένου ότι ο σίδηρος(III) είναι πολύ λιγότερο διαλυτός στο νερό από τον σίδηρο(II), η συσσώρευσή του στον πυθμένα της θάλασσας με την πάροδο του χρόνου θα μπορούσε να οδηγήσει στον σχηματισμό ορυκτών σιδήρου.
Μια βιοχημική οδός που ενδεχομένως προηγείται της φωτοσύνθεσης
Η μελέτη αυτή παρέχει στοιχεία για τον τρόπο με τον οποίο οι μικροοργανισμοί επιβίωναν και ανακύκλωναν τον σίδηρο σε ωκεανούς καλυμμένους με πάγο, κατά την περίοδο της «Γης-Χιονόμπαλας» (Snowball Earth). Συγκεκριμένα, υποδεικνύει έναν νέο μικροβιολογικό μηχανισμό για τον σχηματισμό των ταινιωτών σχηματισμών σιδήρου (BIFs), οι οποίοι δεν μπορούσαν να εξηγηθούν πλήρως από το παραδοσιακό μοντέλο που βασιζόταν στη φωτοσύνθεση.
Επιπλέον, τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η οξείδωση του σιδήρου από χημειολιθότροφα βακτήρια ενδέχεται να λάμβανε χώρα όχι μόνο σε περιβάλλοντα στερημένα φωτός, αλλά και στην αρχέγονη Γη, από την Αρχαιοζωική έως την πρώιμη Πρωτεροζωική περίοδο — εποχή κατά την οποία δεν είχε ακόμη εμφανιστεί ούτε καν η ανοξυγονική φωτοσύνθεση. Αυτό υποδεικνύει την πιθανότητα ύπαρξης ενός καθολικού βιογεωχημικού μηχανισμού... γεωλογική ιστορία.
Αποκαλύπτοντας μια νέα οδό οξείδωσης του σιδήρου που αμφισβητεί το συμβατικό μοντέλο σχηματισμού κοιτασμάτων σιδήρου —το οποίο βασίζεται στη φωτοσύνθεση—, η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει την κατανόησή μας για τον σχηματισμό σιδήρου στους τομείς των επιστημών της Γης, της γεωλογίας, των βιοεπιστημών, της μικροβιολογίας, της γεωβιολογίας, της βιογεωχημείας και άλλων πεδίων.
Σύνδεση ανακατασκευασμένων γονιδιωμάτων με πειραματικά δεδομένα
Ο Yoon, ερευνητής-καθηγητής στο Εργαστήριο Μικροβιακής Γονιδιωματικής και Συστημικής/Συνθετικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Yonsei, ο οποίος ηγήθηκε της ανάλυσης ως κύριος συγγραφέας της μελέτης, εξήγησε: «Αναλύοντας DNA από ιζήματα της Ανταρκτικής που περιέχουν αρχεία τα οποία καλύπτουν διάστημα άνω των 10.000 ετών, ανακατασκευάσαμε τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τα μικροβιακά οικοσυστήματα εκείνης της εποχής.
«Η σύνδεση της ανακατασκευής γονιδιωμάτων βασικών μικροοργανισμών με τη λειτουργική επαλήθευση αποτελεί σημαντικό επίτευγμα αυτής της μελέτης. Παρουσιάζει μια εμπειρική ερευνητική μεθοδολογία που υπερβαίνει την ανάλυση δεδομένων αλληλουχίας στη περιβαλλοντική γονιδιωματική, επιτρέποντάς μας να επιλύσουμε άλυτα αινίγματα της ιστορίας της Γης».
www.worldenergynews.gr
