Syre steg upp ur havet: Livets bränsle

De har total insikt i hur vattnet kom till jorden och de har ganska god förståelse för varför jordskorpan rör sig och skapar höga berg och djupa avgrunder.

Men hur syret hamnade i atmosfären och på allvar kickade igång livet har i årtionden varit ett mysterium för forskarna. För varför behövde det gå 1,2 miljarder år från det att de första fotosyntetiska bakterierna började producera syre till jordens oceaner, tills den potenta gasen gick att andas in fritt i luften?

Och när syret äntligen sluppit loss, varför dödade det då majoriteten av livet på jorden och kastade ut världen i en 300 miljoner år lång klimatkris?

Nu har forskarna till sist löst syrets gåta och hittat svaret djupt under jordens yta.

Järn och djupa gaser åt syret

Syre är ett av universums vanligast förekommande grundämnen. Det har atomnummer 8 – vilket innebär att syreatomen består av åtta protoner i kärnan, som omgärdas av åtta elektroner.

När två syreatomer går ihop bildar de syremolekylen O₂ – det vill säga syre.

För 3,6 miljarder år sedan var luften på jorden kvävande giftig. Det fanns visserligen syre, men det var förbundet med kol i gasen CO₂ , som tillsammans med metan, väte, kväve och argon utgjorde atmosfären.

Under dessa hårda villkor uppstod livet i havet, där bland annat bakterier kallade cyanobakterier utvecklades. Bakterierna formade stora kolonier kallade stromatoliter och satte med sin nyuppfunna fotosyntes fart på syreproduktionen i oceanerna.

Men cyanobakterierna hann knappt producera syret förrän det försvann från vattnet igen. Så gott som i samma sekund som syret frisattes förenades det med upplöst järn från källvatten under vattenytan och fälldes ut som järnoxider som lade sig på havsbotten.

Men girigt järn i havet är bara en liten del av förklaringen till varför det tog 1,2 miljarder år från det att de första cyanobakterierna påbörjade sin fotosyntes tills det att syret hittade ända fram till jordens atmosfär.

År 2019 påvisade kemisten Chadlin M. Ostrander från University of Arizona att trots att syre tog sig fram till atmosfären först för 2,4 miljarder år sedan, så innehöll de grunda delarna av jordklotets oceaner redan för 2,5 miljarder år sedan fritt syre – kanske till och med tidigare än så.

Fritt syre i havet borde leda till syresättning av atmosfären, för när en gas upplöses i en vätska sker det proportionerligt med gasens tryck över ytan och tvärtom. Fritt syre i vattnet skulle med andra ord innebära fritt syre i luften – såvida inte gasen användes upp i kemiska reaktioner, så snart den frigavs till atmosfären.

Även om det fria syret i de grunda delarna av havet borde ha överfört syre till luften, så dök de första spåren v syre i gasform upp först för 2,4 miljarder år sedan – det vill säga 100 miljoner år senare. Forskarna undrade varför det låg till på det sättet och år 2020 hittade de det banbrytande svaret.

Under ledning av biokemisten Shintaro Kadoya från University of Washington bevisade en forskargrupp att det vid denna tidpunkt i världens historia skedde ett avgörande skifte djupt nere i berggrunden.

Jordklotet är uppdelat i lager; överst ligger jordskorpan och under den ett lager kallat manteln. Enligt forskarna oxiderades manteln för 2,4 miljarder år sedan – det vill säga att den kom att innehålla flera föreningar mättade med syre, vilket ledde till en förändring i vulkanernas utsläppsgaser vid ytan.

Dittills hade de vulkaniska gaserna bestått av syretörstande ämnen som väte och kolmonoxid, som snabbt reagerade med de få fria syreatomerna i luften, men nu andades vulkanerna i stället ut mer vatten, H₂ O, och koldioxid, CO₂ , som redan var mättade med syre.

Allt färre av de syremolekyler som cyanobakterierna skickade upp i atmosfären förbrukades omedelbart och därför ökade luftens koncentration av fritt syre långsamt, men säkert.

Även om syret på lång sikt utgjorde en enorm bonus för livet på jorden, så var det till en början en katastrof – även för cyanobakterierna som producerar det.

Syreöverflöd ledde till massdöd

Syret var nämligen rena giftet för många av de organismer som hade levt på en syrefri planet. Gasen låg bakom det första massutdöendet på jorden, då upp emot 99 procent av allt liv försvann.

Katastrofen hade dock bara börjat, för syret förändrade även sammansättningen av luften och bröt ned några av de gaser som hade utgjort merparten av den tidigare atmosfären.

Dittills hade växthusgasen metan lagt ett lock över jorden och hållit den varm, men nu reagerade metanet med syre. Tillsammans blev de två ämnena koldioxid och vatten, och även om koldioxid också är en växthusgas, så är den långt mindre effektiv än metan.

Resultatet blev att jorden drabbades av en total temperaturkollaps, som varade i nästan 300 miljoner år. Isen bredde ut sig flera gånger från polarområdena ända ned till ekvatorn och skapade den så kallade snöbollsjorden.

De överlevande arterna trängdes undan till syrefattiga miljöer, exempelvis djupt under havsbottnen, medan nya organismer hastigt utvecklades under de syrerika livsvillkoren.

Syre är nämligen ett extremt effektivt verktyg i en organisms förbränning – det biologerna kallar metabolism – och ingår som bränsle i energiproduktionen i cellernas mitokondrier. Där produceras ämnet adenosintrifosfat, ATP, utifrån sockerämnet glukos under upptagandet av syre, en så kallad oxidation.

Nedbrytningen av glukos med syre närvarande är 13 gånger mer effektivt för organismen än metabolismen i exempelvis bakterier, som lever utan syre. Skillnaden gav syreanvändande liv en enorm fördel.

Syrekoncentrationerna förblev dock låga – mellan 1/10 och 1/100 av dagens – fram till för drygt 850 miljoner år sedan, och under tiden förblev organismerna små. Varför det förhöll sig så förklarades i en vetenskaplig artikel från maj 2021.

Syrefattig luft ger små djur

I studien experimenterade forskare från Georgia Institute of Technology, under ledning av biologen Ozan Bozdag, med en speciell sorts genmodifierad jäst som uppför sig som en mycket enkel, flercellig organism genom att bilda stora mor- och dotterkolonier.

Arten föredrar att leva under syrerika livsvillkor, men kan klara sig utan syre. Forskarna höll jästen under olika koncentrationer av syre och avlade den i över 800 generationer.

När jästen levde utan syre och fick driva sin metabolism på annat sätt, fördubblades individernas storlek under de 800 generationerna. Samma sak hände de jästceller som levde i höga koncentrationer av syre.

Men när jästen utsattes för låga koncentrationer av syre, motsvarande nivån på jorden fram till för cirka 850 miljoner år sedan, förblev jästkolonierna små.

Forskarnas slutsatser är att syre faktiskt begränsar storleken på levande organismer när ämnet bara är närvarande i små mängder, för i enkla organismer måste syret tränga in i cellerna direkt från omgivningarna.

Därför uppstod avancerat flercelligt liv – och därmed djuren på jorden – första gången i och med den så kallade ediacarafaunan för cirka 600 miljoner år sedan.

Livet har blivit beroende av syre

I dag har djurlivet spridits över hela jorden och evolutionen har experimenterat vitt och brett med respirationssystem, som både för in syret i kroppen och runt i organismen.

För den grundläggande utmaningen existerar fortfarande – syret måste transporteras fram varje enskild cell i individen, annars dör cellen och till sist organismen.

Fram till för ett par år sedan trodde forskarna också att allt högre djurliv var beroende av syre.

Men 2010 hittade en forskargrupp ledd av Roberto Danovaro, från det polytekniska universitetet i italienska Ancona, tre arter av de mikroskopiska korsettdjuren i Medelhavet, som – tydligen – lever hela sina liv i en totalt syrefri miljö.

Forskarnas bästa förklaring till hur korsettdjuren får energi, är att en del arter har mitokondrieliknande mekanismer i cellerna, kallade hydrogenosomer, som kan driva cellerna utan syre. Hydrogenosomer har hittills bara varit kända från mycket enkla organismer som svampar, och inte från djurriket.

År 2020 dök ännu ett djur upp, som lever sitt liv utan att förbränna syre. den israeliska zoologen Dayana Yahalomi och hennes forskargrupp upptäckte då arten Henneguya salminicola – ett polypdjur som är släkt med maneter, och som lever som parasiter på lax.

Henneguya salminicola är det första djuret forskarna känner till, som saknar den bit dna i sitt genom, som kodar för cellernas kraftverk, mitokondrierna. Och utan mitokondrier finns det ingen anledning att ta upp syre.

Precis som med korsettdjuren har forskarna ännu inte till fullo förstått hur de anskaffar energi.

Faktum är dock att även om korsettdjur och laxparasiter kan klara sig utan syre, så kan inte människan det.

Och medan den livgivande föreningen i dag är fritt tillgänglig i jordens atmosfär, så är den en bristvara på nästan alla andra platser i universum.

Astronauter ska andas Marssyre

Därför får astronauter själva medföra eller producera syre, när de exempelvis ska till den Internationella rymdstationen eller ännu mer avlägsna destinationer.

Nasa befinner sig i framkant när det gäller tekniken att producera syre på främmande planeter och har utrustat sin senaste Marsbil, Perseverance, med en anläggning som kan omvandla koldioxid (vilket utgör majoriteten av Mars atmosfär) till syre.

Försöket MOXIE kan producera drygt tio gram rent syre i timmen. Det motsvarar cirka en tredjedel av behovet hos en vuxen människa. Tekniken bakom MOXIE behöver med andra ord öka i omfattning innan den är praktiskt användbar under en Marsexpedition.

Förutom att hålla besättningen vid liv ska MOXIE – eller en motsvarande teknik – producera det syre som ska återtanka rymdskeppet, så att det kan återvända till jorden. Beräkningar från Nasa visar att det krävs cirka 25 ton syre för att förbränna de sju ton rent raketbränsle en hemresa för fyra astronauter kräver.

Att hitta syre på Mars är inget problem. Ämnet är det tredje vanligaste i universum efter väte och helium, och finns överallt i otaliga kemiska föreningar.

Utmaningen består i att oavsett hur syre ska frisättas från exempelvis koldioxid, så måste de kemiska banden mellan atomerna brytas – och det kräver energi.

Så förutom MOXIE eller en liknande apparat i stor skala måste astronauterna även medföra utrustning till att producera energi, exempelvis solceller eller transportabla atomreaktorer.

Därför kan MOXIE lätt bli omkörd på insidan av någon helt annan teknik.

År 2020 visade tre forskare från Washington University under ledning av kemisten Pralay Gayen nämligen hur det extremt starka saltvatten som har hittat på Mars, kan klyvas till syre och väte med tekniken elektrolys.

Processen förbrukar bara 1/25-del av den energi MOXIE kräver för att producera en motsvarande mängd syre – en fördel som är svår att förbise under en rymdresa, där varje kilo last kostar enorma resurser att skicka i väg.

Atmosfär går i barndom

Vid en tidpunkt kommer det att bli nödvändigt att skapa syre på jorden i samma omfattning som fotosyntesen gör i dag. Jordens produktion avstannar nämligen när solen om drygt en miljard år gör planeten för varm för växtliv. Det förutspår astrobiologen Kazumi Ozaki från Toho University och hans kollega Christopher T. Reinhard i en studie från mars 2021.

De två forskarna har kört klimatmodeller för jorden, inte bara till år 2100 eller år 2500, utan miljontals år fram i tiden.

I samtliga modeller bryter jordens atmosfär ihop så att bara cirka en procent av den nuvarande mängden syre återstår, medan det däremot kommer att finnas massor av koldioxid och metan – precis som på den unga jorden innan syret steg upp i atmosfären för första gången.

På så sätt kommer jorden att sluta på samma sätt som den började.