לפני כ-2.5 מיליארד שנה כוכב-הלכת שלנו עבר את אחד המהפכים הגדולים בתולדותיו: מריכוז חמצן אפסי באטמוספרה לזמינות של המולקולה בכל מקום. "מהפכת החמצן" - המכונה גם "אסון החמצן" - הכחידה את רוב המינים האל-אווירניים (אנארוביים), אך בו-בזמן אפשרה את התפתחותם של יצורים נושמים, ובהם גם את בני-האדם. על-אף שמדובר באירוע מכונן בתולדות כדור הארץ, שורר בקרב מדענים ויכוח אם אכן מדובר במהפכה, כלומר שינוי מהיר, קיצוני ופתאומי, או שלמעשה יצורים החיים בכדור הארץ כבר ידעו ליצר ולהשתמש בחמצן, במידה זו או אחרת, שנים רבות לפני כן. מדעני מכון ויצמן למדע פתרו באחרונה את החידה ארוכת השנים והראו כי היכולת של יצורים חיים לעבד חמצן הקדימה ביותר מחצי מיליארד שנה את מהפכת החמצן.
פרופ' דן תופיק, מהמחלקה למדעים ביומולקולריים של מכון ויצמן למדע, מסביר כי אין עוררין על התיארוך של מהפכת החמצן, שמגובה בממצאים גיאולוגיים. כמו כן אין ויכוח על כך שהחמצן שנפלט לאטמוספרה בזמן מהפכת החמצן מקורו בהתפתחות חיידקים שהשתמשו בפוטוסינתזה לייצור אנרגיה ופלטו חמצן כתוצר לוואי של התהליך. מוקד הוויכוח המדעי הוא, אם כך, האם החיים על פני כדור הארץ נחשפו לחמצן וידעו להשתמש בו עוד טרם מהפכת החמצן. בוויכוח זה יש הטוענים כי חמצן מולקולרי (O2), כלומר מולקולות חמצן חופשיות, לא יכלו להיות זמינות לפני אסון החמצן, שכן ההרכב הכימי של האטמוספרה ושל האוקיינוסים לפני מהפכת החמצן היה כזה שכל מולקולת חמצן שהשתחררה בפוטוסינתזה ייצרה מיד תגובה כימית, כלומר לא נותרה חופשיה. אחרים טוענים כי ייתכן בכל זאת שחלק מהחמצן נשאר חופשי די זמן כדי שיצורים חיים ילמדו להשתמש בו – עוד לפני מהפכת החמצן.
קבוצת המחקר של פרופ' תופיק מתמחה אמנם באבולוציה של חלבונים, אך תלמידת המחקר יגודה יבלונסקה העלתה בדעתה שהתמחות זו יכולה לסייע בפתרון החידה המדעית של תולדות השימוש בחמצן. כלומר, היא שיערה כי באמצעות שיטות המאפשרות להתחקות כיצד ומתי התפתחו אנזימים שונים, אפשר גם לגלות מתי יצורים חיים החלו לעבד חמצן.
תחילה יצרה יבלונסקה רשימה של כ-130 משפחות אנזימים אשר משתמשים או מייצרים חמצן בחיידקים ובארכאונים (חיידקים קדמונים), שכן אלו צורות החיים אשר אפיינו את הארכאיקון – העידן הגיאולוגי שבין הופעת החיים בכדור הארץ לפני כ-4 מיליארד שנים ועד למהפכת החמצן. לאחר שניפתה כמחצית מהם, נותרה יבלונסקה עם משפחות אנזימים שבהן השימוש בחמצן או פליטתו מאפיין את רוב או כל חברי המשפחה. מבין המשפחות הנותרות היא בחרה 36 שאפשר לשרטט באופן מלא את אילן היוחסין האבולוציוני שלהן. "זה כמובן היה רחוק מלהיות פשוט", אומר פרופ' תופיק. "גנים יכולים 'ללכת לאיבוד' ביצורים מסוימים, וכך נוצר הרושם המוטעה שהם התפתחו מאוחר יותר ביצורים אחרים. בנוסף, חיידקים מעבירים ביניהם גנים בצורה אופקית, ובכך מבלגנים את אילנות היוחסין ועלולים להוביל להערכת יתר של גיל האנזים".
אילנות היוחסין שיצרו החוקרים הציגו בבירור התפרצות אבולוציונית של הופעת אנזימי חמצן לפני כשלושה מיליארד שנים – יותר מחצי מיליארד שנים לפני מהפכת החמצן; חלק מהאנזימים אף התפתחו עוד קודם לכן. "הדעת נותנת שכדי שיופיעו אנזימים המשתמשים בחמצן, יש צורך בנוכחות חמצן", אומר פרופ' תופיק. "לפיכך הממצאים שלנו מאששים את ההשערה שחמצן הופיע והתמיד בביוספרה הרבה לפני מהפכת החמצן. לקח אמנם זמן להגיע לרמת החמצון הגבוהה יותר שאפיינה את מהפכת החמצן והותירה את רישומה הגיאוכימי, אך כשזה קרה, החמצן כבר היה מוכר ליצורים רבים בכדור-הארץ".
חמצן הוא אחד היסודות התגובתיים ביותר מבחינה כימית. עובדה זו הופכת אותו לשימושי מאוד עבור צורות חיים רבות, אך גם לבעל פוטנציאל נזק גדול. יבלונסקה ופרופ' תופיק משערים כי חיידקים שיצרו חמצן, ומיקרואורגניזמים אחרים שחיו בסביבתם, נאלצו לפתח במהירות דרכים להיפטר ביעילות מחמצן. כך הופיעו אנזימים שנועדו לסלק מולקולות חמצן מהתאים. עם זאת, פסולת של יצור אחד היא מקור החיים הפוטנציאלי של יצור אחר, ועד מהרה החלו להתפתח גם אנזימים המשתמשים בחמצן כדי לפרק מולקולות "עמידות" כגון תרכובות ארומטיות וליפידים.
יבלונסקה סיכמה: "המחקר שלנו מציג אמצעי חדש לחלוטין לתארוך של הופעת החמצן באטמוספרה, ועוזר לנו להבין כיצד התפתחו החיים כפי שאנו מכירים אותם".
