L'enzima nitrogenasi può essere fatto risalire all'antenato comune universale di tutte le cellule più di quattro miliardi di anni fa.

Trovato solo nei batteri oggi, la nitrogenasi è comunque essenziale per la produzione di ossigeno dall'acqua nella fotosintesi, rendendolo strumentale al modo in cui i batteri acquatici hanno prodotto il primo ossigeno molecolare della Terra 2,5 miliardi di anni fa.

"Per metà dei 4,6 miliardi di anni di esistenza della Terra, l'atmosfera conteneva solo anidride carbonica e azoto, senza ossigeno, ma questo è cambiato quando i cianobatteri, dette anche alghe azzurre, iniziò a produrre il primo ossigeno usando la nitrogenasi. Ciò ha portato al Grande Evento di Ossidazione, " ha spiegato l'autore dello studio, il professor John Allen (UCL Genetics, Evoluzione &Ambiente).

"Ma invece di salire costantemente, i livelli di ossigeno atmosferico si sono stabilizzati al 2% in volume per circa due miliardi di anni prima di aumentare al livello odierno del 21%. Le ragioni di ciò sono state a lungo dibattute dagli scienziati e pensiamo di aver finalmente trovato una risposta semplice ma solida".

uno studio, pubblicato oggi in Tendenze nelle scienze vegetali dai ricercatori dell'UCL, Queen Mary University of London e Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, propone per la prima volta che l'ossigeno atmosferico prodotto utilizzando la nitrogenasi bloccasse l'attività dell'enzima.

Questo ciclo di feedback negativo ha impedito la produzione di ulteriore ossigeno e ha avviato un lungo periodo di stagnazione nella storia della Terra circa 2,4 miliardi di anni fa.

Durando quasi due miliardi di anni, l'Eone Proterozoico ha visto pochissimi cambiamenti nell'evoluzione della vita, composizione e clima dell'oceano e dell'atmosfera, portando alcuni a chiamarlo il "miliardo noioso".

"Ci sono molte idee sul perché i livelli di ossigeno atmosferico si siano stabilizzati al 2% per un periodo di tempo così incredibilmente lungo, compreso l'ossigeno che reagisce con ioni metallici, ma notevolmente, il ruolo chiave della nitrogenasi è stato completamente trascurato, ", ha affermato il coautore dello studio, il professor William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf).

"La nostra teoria è l'unica che spiega l'impatto globale sulla produzione di ossigeno in un periodo di tempo così prolungato e spiega perché è stato in grado di salire ai livelli che vediamo oggi, alimentando l'evoluzione della vita sulla Terra."

Il team afferma che il ciclo di feedback negativo è terminato solo quando le piante hanno conquistato la terra circa 600 milioni di anni fa.

Quando sono emerse le piante terrestri, le loro cellule produttrici di ossigeno nelle foglie sono state fisicamente separate dalle cellule contenenti nitrogenasi nel suolo. Questa separazione ha permesso all'ossigeno di accumularsi senza inibire la nitrogenasi.

Questa teoria è supportata da prove nei reperti fossili che mostrano che i cianobatteri avevano iniziato a proteggere la nitrogenasi in cellule dedicate chiamate eterocisti circa 408 milioni di anni fa, una volta che i livelli di ossigeno stavano già aumentando dalla fotosintesi nelle piante terrestri.

"La nitrogenasi è essenziale per la vita e il processo di fotosintesi poiché fissa l'azoto nell'aria in ammoniaca, che viene utilizzato per produrre proteine ​​e acidi nucleici, ", ha affermato la coautrice Brenda Thake (Queen Mary University of London).

"Sappiamo dallo studio dei cianobatteri in condizioni di laboratorio che la nitrogenasi smette di funzionare a livelli atmosferici superiori al 10% attuali, che è il 2% in volume, poiché l'enzima viene rapidamente distrutto dall'ossigeno. Nonostante questo sia noto ai biologi, non è stato suggerito come un driver dietro uno dei grandi misteri della Terra, fino ad ora."