A enzima nitrogenase pode ser rastreada até o ancestral comum universal de todas as células, há mais de quatro bilhões de anos.

Encontrado apenas em bactérias hoje, nitrogenase é, no entanto, essencial para a produção de oxigênio da água na fotossíntese, tornando-o instrumental em como as bactérias aquáticas produziram o primeiro oxigênio molecular da Terra há 2,5 bilhões de anos.

"Durante metade dos 4,6 bilhões de anos de existência da Terra, a atmosfera continha apenas dióxido de carbono e nitrogênio, sem oxigênio, mas isso mudou quando as cianobactérias, também conhecido como algas verde-azuladas, começou a produzir o primeiro oxigênio usando nitrogenase. Isso levou ao Grande Evento de Oxidação, "explicou o autor do estudo, Professor John Allen (UCL Genetics, Evolução e meio ambiente).

"Mas em vez de aumentar de forma constante, os níveis de oxigênio atmosférico se estabilizaram em 2% por volume por cerca de dois bilhões de anos antes de aumentar para o nível atual de 21%. As razões para isso têm sido debatidas por muitos cientistas e achamos que finalmente encontramos uma resposta simples, mas robusta. "

Um estudo, publicado hoje em Tendências em Ciências de Plantas por pesquisadores da UCL, Queen Mary University of London e Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, propõe pela primeira vez que o oxigênio atmosférico produzido com nitrogenase bloqueou o funcionamento da enzima.

Este ciclo de feedback negativo impediu que mais oxigênio fosse produzido e iniciou um longo período de estagnação na história da Terra cerca de 2,4 bilhões de anos atrás.

Durando quase dois bilhões de anos, o Eon Proterozóico viu muito pouca mudança na evolução da vida, oceano e composição da atmosfera e clima, levando alguns a chamá-lo de 'bilhão chato'.

"Existem muitas idéias sobre por que os níveis de oxigênio atmosférico se estabilizaram em 2% por um período de tempo tão incrivelmente longo, incluindo oxigênio reagindo com íons metálicos, mas notavelmente, o papel principal da nitrogenase foi completamente esquecido, "disse o co-autor do estudo, Professor William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf).

"Nossa teoria é a única que explica o impacto global na produção de oxigênio durante um período de tempo tão sustentado e explica por que foi capaz de subir aos níveis que vemos hoje, alimentando a evolução da vida na Terra. "

A equipe diz que o ciclo de feedback negativo terminou apenas quando as plantas conquistaram terras, cerca de 600 milhões de anos atrás.

Quando as plantas terrestres surgiram, suas células produtoras de oxigênio nas folhas foram fisicamente separadas das células contendo nitrogenase no solo. Essa separação permitiu que o oxigênio se acumulasse sem inibir a nitrogenase.

Esta teoria é apoiada por evidências no registro fóssil que mostra que as cianobactérias começaram a proteger a nitrogenase em células dedicadas chamadas heterocistos há cerca de 408 milhões de anos. uma vez que os níveis de oxigênio já estavam aumentando a partir da fotossíntese nas plantas terrestres.

"A nitrogenase é essencial para a vida e para o processo de fotossíntese, pois fixa o nitrogênio do ar em amônia, que é usado para fazer proteínas e ácidos nucléicos, "disse a co-autora Sra. Brenda Thake (Queen Mary University of London).

"Nós sabemos, por meio de estudos de cianobactérias em condições de laboratório, que a nitrogenase deixa de funcionar em níveis atmosféricos superiores a 10%, que é 2% em volume, como a enzima é rapidamente destruída pelo oxigênio. Apesar de ser do conhecimento de biólogos, não foi sugerido como um motivador por trás de um dos grandes mistérios da Terra, até agora."