Mikroba dan Mineral Mungkin adalah Pemicu Oksigenasi Pertama Bumi

Nationalgeographic.co.id—Selama dua miliar tahun pertama sejarah Bumi, hampir tidak ada oksigen di udara. Sementara beberapa mikroba berfotosintesis pada bagian akhir periode ini, oksigen belum terakumulasi pada tingkat yang akan berdampak pada biosfer global.

Tetapi sekitar 2,3 miliar tahun yang lalu, keseimbangan oksigen rendah yang stabil ini bergeser, dan oksigen mulai menumpuk di atmosfer, akhirnya mencapai tingkat yang menopang kehidupan yang kita hirup hari ini. Infus cepat ini dikenal sebagai Great Oxygenation Event, atau GOE. Apa yang memicu peristiwa tersebut dan menarik planet ini keluar dari kondisi menakutkan rendah oksigennya adalah salah satu misteri besar sains.

Namun, sebuah hipotesis baru, yang diajukan oleh para ilmuwan MIT, menunjukkan bahwa oksigen akhirnya mulai terakumulasi di atmosfer berkat interaksi antara mikroba laut tertentu dan mineral dalam sedimen laut. Interaksi ini membantu mencegah oksigen dikonsumsi, memicu proses penguatan diri di mana semakin banyak oksigen tersedia untuk terakumulasi di atmosfer.

Para ilmuwan telah menyusun hipotesis mereka menggunakan analisis matematika dan evolusi, menunjukkan bahwa memang ada mikroba yang ada sebelum GOE dan mengembangkan kemampuan untuk berinteraksi dengan sedimen dengan cara yang telah diusulkan para peneliti tersebut.

Studi mereka, telah diterbitkan di jurnal Nature Communications pada 14 Maret 2022 berjudul Oxidative metabolisms catalyzed Earth’s oxygenation, ini adalah yang pertama menghubungkan evolusi bersama mikroba dan mineral dengan oksigenasi Bumi.

"Mungkin perubahan biogeokimia terpenting dalam sejarah planet ini adalah oksigenasi atmosfer," kata penulis studi Daniel Rothman, profesor geofisika di Departemen Ilmu Bumi, Atmosfer, dan Planet (EAPS) MIT. "Kami menunjukkan bagaimana interaksi mikroba, mineral, dan lingkungan geokimia bertindak bersama-sama untuk meningkatkan oksigen di atmosfer."

Atmosfer bumi awal sangat kekurangan oksigen. Namun, ini berubah setelah peristiwa oksidasi hebat. Lalu, apa yang bisa mendorong planet ini keluar dari satu keadaan stabil, kekurangan oksigen ke keadaan stabil lainnya yang kaya oksigen?

"Jika Anda melihat sejarah Bumi, tampaknya ada dua lompatan, di mana Anda beralih dari kondisi stabil oksigen rendah ke kondisi stabil oksigen jauh lebih tinggi, sekali di Paleoproterozoikum, sekali lagi di Neoproterozoikum," tutur rekan penulis Gregory Fournier, profesor geobiologi di EAPS, seperti yang dilaporkan Tech Explorist. "Lompatan ini tidak mungkin karena peningkatan bertahap dalam kelebihan oksigen. Pasti ada beberapa umpan balik yang menyebabkan perubahan langkah dalam stabilitas ini."

Dia dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah umpan balik positif semacam itu bisa datang dari proses di lautan yang membuat beberapa karbon organik tidak tersedia bagi konsumennya. Karbon organik terutama dikonsumsi melalui oksidasi, biasanya disertai dengan konsumsi oksigen, yaitu suatu proses di mana mikroba di laut menggunakan oksigen untuk memecah bahan organik, seperti detritus yang mengendap di sedimen. Tim bertanya-tanya: Mungkinkah ada proses di mana kehadiran oksigen merangsang akumulasi lebih lanjut?

Baca Juga: Ternyata di Usus Terdapat Senyawa yang Bisa Menghidupkan Virus Kembali

Baca Juga: Sendawa Mikroba Beracun Menyebabkan Kepunahan dalam Sejarah Bumi

Baca Juga: Awal Fotosintesis: Dari Bakteri Sekitar 2,9 Miliar Tahun Lalu

Untuk menemukan jawabannya, para ilmuwan menciptakan model matematika. Model mereka meramalkan: Jika mikroba memiliki kemampuan hanya sebagian untuk mengoksidasi bahan organik, bahan yang teroksidasi sebagian, atau disebut "POOM," akan secara efektif menjadi "lengket" dan secara kimiawi mengikat mineral dalam sedimen dengan cara yang akan melindungi bahan dari oksidasi lebih jauh. Oksigen yang seharusnya dikonsumsi untuk mendegradasi material sepenuhnya malah akan bebas menumpuk di atmosfer.

"Itu membuat kami bertanya, apakah ada metabolisme mikroba di luar sana yang menghasilkan POOM?" ujar Fourier.

Untuk menjawab ini, tim mencari melalui literatur ilmiah dan mengidentifikasi sekelompok mikroba yang mengoksidasi sebagian bahan organik di laut dalam saat ini. Mikroba ini termasuk dalam kelompok bakteri SAR202, dan oksidasi parsialnya dilakukan melalui enzim, Baeyer-Villiger monooxygenase, atau BVMO.

Tim melakukan analisis filogenetik untuk melihat seberapa jauh mikroba, dan gen untuk enzim, dapat dilacak. Mereka menemukan bahwa bakteri memang memiliki nenek moyang sebelum GOE, dan gen untuk enzim tersebut dapat dilacak di berbagai spesies mikroba, sejauh sebelum GOE.

Terlebih lagi, mereka menemukan bahwa diversifikasi gen, atau jumlah spesies yang memperoleh gen, meningkat secara signifikan selama masa ketika atmosfer mengalami lonjakan oksigenasi, termasuk sekali selama Paleoproterozoikum GOE, dan sekali lagi di Neoproterozoikum.

“Kami menemukan beberapa korelasi temporal antara diversifikasi gen penghasil POOM dan tingkat oksigen di atmosfer. Itu mendukung teori kami secara keseluruhan.” kata penulis utama Haitao Shang, mantan mahasiswa pascasarjana MIT.

Untuk mengonfirmasi hipotesis ini akan membutuhkan lebih banyak tindak lanjut, dari eksperimen di laboratorium hingga survei di lapangan, dan segala sesuatu di antaranya. Dengan studi baru mereka, tim telah memperkenalkan tersangka baru dalam kasus kuno tentang apa yang mengoksidasi atmosfer Bumi.

REKOMENDASI HARI INI

Dunia Hewan: Lalat atau Lebah, Siapa Lebih Kuat Hadapi Perubahan Iklim?