Głęboko w geologicznej przeszłości naszej planety, między 720 a 635 milionów lat temu, Ziemia stanęła w obliczu jednego ze swoich najbardziej dramatycznych wyzwań klimatycznych. W okresie znanym jako kriogen, planeta została skuta lodem w serii globalnych zlodowaceń, które naukowcy popularnie nazywają „Ziemią śnieżką”. Średnie globalne temperatury gwałtownie spadły do niewiarygodnych -50 stopni Celsjusza, zamieniając większość powierzchni Ziemi w zamarznięte pustkowie. Mimo tych ekstremalnych warunków życie nie zniknęło. Wręcz przeciwnie, przetrwało i położyło podwaliny pod późniejszą eksplozję złożonych organizmów wielokomórkowych, w tym naszych własnych przodków. Ale kluczowe pytanie, które od dziesięcioleci dręczyło naukowców, brzmiało: gdzie życie ukrywało się podczas tych długich, lodowatych tysiącleci?

Najnowsze badania, prowadzone przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT), oferują fascynującą i przekonującą odpowiedź. Według ich badań, kluczowymi schronieniami dla wczesnych eukariontów – złożonych komórek z jądrem, które ewolucyjnie poprzedzały wszystkie dzisiejsze zwierzęta, rośliny i grzyby – mogły być płytkie oazy stopionej wody na samej powierzchni olbrzymich lądolodów.

Tajemnica zamarzniętego świata: Kula śnieżna czy błoto pośniegowe?

Hipoteza „Ziemi śnieżki” jest jedną z najbardziej intrygujących w paleoklimatologii. Sugeruje ona, że czapy lodowe z biegunów rozszerzyły się aż do równika, pokrywając prawie całą planetę. Głównym motorem tego procesu była dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego albedo – im więcej lodu pokrywało powierzchnię, tym więcej światła słonecznego odbijało się z powrotem w kosmos, powodując dalsze ochłodzenie i ekspansję lodu. Dowody geologiczne, takie jak osady lodowcowe znalezione w skałach, które w tamtym czasie znajdowały się w strefie międzyzwrotnikowej, mocno wspierają tę ideę.

Jednak w środowisku naukowym toczy się debata, czy Ziemia była „twardą” kulą śnieżną, z oceanami całkowicie zamkniętymi pod kilometrami grubego lodu, czy „miękką” kulą, czyli „błotem pośniegowym”, z pasem otwartego morza lub cieńszego lodu wokół równika. Scenariusz „twardej” kuli śnieżnej stawia poważne wyzwania dla przetrwania organizmów fotosyntetyzujących, które zależą od światła. Z drugiej strony, „błoto pośniegowe” umożliwiłoby istnienie cyklu wodnego i zapewniło schronienie dla życia. Ale niezależnie od dokładnego scenariusza, przetrwanie życia w takim świecie wymagało istnienia stabilnych mikro-siedlisk. Istniało kilka teorii na temat możliwych schronień, w tym kominy hydrotermalne na dnie oceanu lub kieszenie ciekłej wody pod lądolodami. Niemniej jednak teoria o oazach na powierzchni lodu zyskuje coraz większe poparcie.

Oazy życia na szczycie lodu

Pomysł, że płytkie jeziorka stopionej wody mogły być schronieniem dla życia, opiera się na prostej zasadzie fizycznej. Naukowcy przypuszczają, że na lądolodach w rejonach równikowych mogły gromadzić się ciemne cząstki pyłu i osadów, niesione przez wiatr lub transportowane z dna morskiego na powierzchnię lodu. Te ciemne cząstki, w przeciwieństwie do białego lodu, który odbija światło słoneczne, absorbowałyby ciepło słoneczne. Ta zaabsorbowana energia byłaby wystarczająca, aby stopić otaczający lód, tworząc małe, płytkie jeziorka ciekłej wody. W tych kieszeniach wodnych temperatura mogłaby utrzymywać się w okolicach punktu zamarzania, tworząc stosunkowo stabilne i, co najważniejsze, oświetlone środowisko sprzyjające organizmom fotosyntetyzującym.

Te jeziorka nie byłyby tylko kałużami wody, ale prawdziwymi małymi, samowystarczalnymi ekosystemami. Sinice i inne drobnoustroje tworzyłyby lepkie, warstwowe maty na dnie, stabilizując osad i tworząc bogate w składniki odżywcze środowisko, które mogłoby wspierać bardziej złożone formy życia – eukarionty.

Współczesne dowody z najzimniejszego kontynentu

Aby przetestować swoją hipotezę, zespół badawczy zwrócił się do jedynego miejsca na dzisiejszej Ziemi, które przypomina warunki z kriogenu: lodowe przestrzenie Antarktydy. Zespół, kierowany przez Fatimę Husain, doktorantkę na MIT, oraz profesora geobiologii Rogera Summonsa, przeanalizował próbki z serii takich jezior z topniejącego lodu na Lodowcu Szelfowym McMurdo. Ten obszar, który członkowie ekspedycji Roberta Falcona Scotta już w 1903 roku opisali jako „brudny lód”, okazał się doskonałym naturalnym laboratorium.

Mechanizm powstawania tych jezior na Antarktydzie jest fascynujący. Utrata lodu z powierzchni na skutek wiatru i sublimacji tworzy rodzaj taśmy produkcyjnej, która przez długie okresy czasu unosi osady i organizmy uwięzione na dnie morza na szczyt lodowca szelfowego. Kiedy te ciemne osady docierają na powierzchnię, pochłaniają ciepło słoneczne i topią lód, tworząc płytkie jeziorka o głębokości zaledwie kilkudziesięciu centymetrów i szerokości kilku metrów. Dla naukowców jest to bezpośrednie okno na możliwą przeszłość Ziemi i doskonała okazja do badania życia na Antarktydzie.

Na dnie każdego jeziorka znajdują się grube, wielowarstwowe maty mikrobów, w których dominują sinice. Chociaż wiadomo, że te starożytne, jednokomórkowe organizmy są niezwykle odporne i zdolne do przetrwania w najsurowszych warunkach, naukowców interesowało, czy eukarionty – organizmy, których komórki zawierają jądro i inne organelle – również mogą przetrwać w tych samych okolicznościach.

Zaskakująca bioróżnorodność w kropli wody

Ponieważ mikroskopijne eukarionty są trudne do odróżnienia tylko na podstawie wyglądu, zespół zastosował zaawansowane metody analizy biochemicznej i genetycznej. Poszukiwali specyficznych lipidów zwanych sterolami, produkowanych wyłącznie przez eukarionty, oraz materiału genetycznego, a konkretnie rybosomalnego RNA (rRNA), którego sekwencje służą jako unikalny identyfikator dla różnych grup organizmów. Wyniki były zdumiewające.

W każdym analizowanym jeziorze znaleziono wyraźne biochemiczne i genetyczne sygnatury życia eukariotycznego. Zidentyfikowano różne gatunki glonów, protistów (jednokomórkowych drapieżników), a nawet mikroskopijne zwierzęta, takie jak wrotki i niesporczaki (niedźwiedzie wodne). Jeszcze bardziej zaskakujące było to, że skład społeczności życiowych nie był jednolity. Każde jeziorko miało swoją unikalną kombinację gatunków.

„Żadne dwa jeziorka nie były takie same” – podkreśla Fatima Husain. „Jest powtarzający się zestaw postaci, ale są one obecne w różnych ilościach. Znaleźliśmy zróżnicowane społeczności eukariontów ze wszystkich głównych grup we wszystkich badanych jeziorkach.”

Badacze odkryli również, że zasolenie odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu tych społeczności. Jeziorka o wyższym zasoleniu miały bardziej podobne społeczności eukariotyczne, które różniły się od tych w jeziorkach ze słodszą wodą. Odkrycia te pokazują, że nawet na małym obszarze geograficznym istniały różne mikrowarunki, które umożliwiły rozwój zaskakującej bioróżnorodności.

Dziedzictwo lodu i implikacje na przyszłość

Badanie to dostarcza najsilniejszych dotychczas dowodów na to, że jeziorka stopionej wody na powierzchni lodu mogły służyć jako kluczowe schronienia, swego rodzaju „Arki Noego” na lodzie, podczas globalnych zlodowaceń. Pokazuje ono, że życie posiada niewiarygodną odporność i zdolność adaptacji. Eukarionty, które przetrwały w tych oazach, były bezpośrednimi przodkami organizmów, które po ustąpieniu lodu zapoczątkowały tak zwaną eksplozję kambryjską – gwałtowny wzrost bioróżnorodności i pojawienie się wszystkich głównych grup zwierząt, które znamy dzisiaj.

Te maleńkie, izolowane ekosystemy nie tylko umożliwiły przetrwanie, ale mogły również działać jako inkubatory ewolucji. Izolacja i specyficzne warunki w każdym jeziorku mogły stymulować dywersyfikację genetyczną i rozwój nowych adaptacji. Według naukowców, odkrycia te podkreślają, że jeziorka z topniejącego lodu podczas „Ziemi śnieżki” mogły pielęgnować życie eukariotyczne, które umożliwiło późniejszą dywersyfikację i rozprzestrzenienie się złożonego życia – w tym nas.

Implikacje tych badań wykraczają również poza granice naszej planety. Poszukiwanie życia pozaziemskiego często koncentruje się na lodowych światach, takich jak księżyc Jowisza Europa czy Enceladus Saturna. Badania życia w tych ekstremalnych środowiskach na Ziemi pomagają nam zrozumieć, jakie siedliska mogłyby istnieć na takich światach i jakich biochemicznych śladów życia powinniśmy szukać.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology