Раскрывая скрытую историю кислорода на Земле
Кислород — это жизненная сила нашей планеты сегодня, составляя около 21% воздуха, которым мы дышим, и поддерживая существование большинства живых организмов. Но если вернуться на несколько миллиардов лет назад, Земля выглядела совсем иначе. На протяжении большей части своей ранней истории в атмосфере нашей планеты не было этого жизненно важного газа. Лишь около 2,3 миллиарда лет назад, в период, известный как Великое кислородное событие (GOE), кислород окончательно закрепился в воздухе. Это событие изменило облик планеты, открыв путь к появлению сложной жизни, зависящей от кислорода, которую мы знаем сегодня.
Однако новаторское исследование ученых из Массачусетского технологического института (MIT) предполагает, что некоторые древние микроорганизмы могли научиться использовать кислород задолго до GOE — возможно, еще 3,2–2,8 миллиарда лет назад. Это открытие, опубликованное в журнале Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, может быть одним из самых ранних свидетельств аэробного дыхания (процесса использования кислорода для получения энергии) на Земле. Так как же жизнь адаптировалась к кислороду так рано, и почему атмосфера так долго не насыщалась им? Давайте разберем эту удивительную историю.
Загадка Великого кислородного события
Ученые давно знали, что микробы, производящие кислород, известные как цианобактерии, появились примерно 2,9 миллиарда лет назад. Эти крошечные организмы освоили фотосинтез, используя солнечный свет и воду для выработки энергии и выделяя кислород как побочный продукт. Логично было бы предположить, что кислород сразу начал накапливаться в атмосфере. Но этого не произошло. Между моментом, когда цианобактерии начали производить кислород, и его накоплением во время GOE прошло сотни миллионов лет, и эта загадка остается неразгаданной.
Так куда же делся весь этот ранний кислород? Долгое время исследователи подозревали, что химические реакции с горными породами и минералами поглощали большую его часть, не позволяя ему задерживаться в атмосфере. Однако новое исследование MIT добавляет неожиданный поворот: часть этого кислорода могла быть поглощена самими ранними формами жизни.
Древние ферменты и первые потребители кислорода
Команда MIT под руководством геобиологов Фатимы Хусейн и Грегори Фурнье сосредоточилась на ключевой улике — ферменте под названием гем-медный оксигенредуктаза. Этот фермент является основой аэробного дыхания, позволяя организмам превращать кислород в воду, одновременно вырабатывая энергию. Он присутствует у большинства дышащих кислородом существ сегодня, от крошечных бактерий до человека.
Изучая генетическую структуру этого фермента у миллионов видов, исследователи проследили его происхождение до эпохи мезоархея — геологического периода, охватывающего 3,2–2,8 миллиарда лет назад. Они построили эволюционное «древо жизни», используя огромные базы данных геномов, сузив поток данных до управляемого набора видов. Опираясь на ископаемые свидетельства для определения временной шкалы, они оценили, когда этот фермент — и способность использовать кислород — впервые появились. Их вывод? Это произошло за сотни миллионов лет до GOE.
Это говорит о том, что вскоре после того, как цианобактерии начали выделять кислород, другие соседние микробы эволюционировали, чтобы его потреблять. Эти ранние потребители кислорода, возможно, действовали как естественный фильтр, поглощая небольшие количества кислорода так же быстро, как он производился, и замедляя его накопление в атмосфере.
Переписывая историю жизни на Земле
«Это кардинально меняет представление об аэробном дыхании», — говорит Хусейн, постдокторант Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах MIT. Результаты ее команды дополняют растущий объем доказательств того, что жизнь на ранней Земле была гораздо более изобретательной, чем мы считали ранее. Вместо того чтобы ждать, пока атмосфера наполнится кислородом, некоторые микробы адаптировались к его использованию практически сразу, даже в минимальных количествах.
Представьте себе картину: древние океаны, кишащие цианобактериями, выделяющими тонкие струйки кислорода в окружающую среду. Рядом другие микробы развивают способность «дышать» этим кислородом, используя его для питания своих крошечных тел. На протяжении сотен миллионов лет этот хрупкий баланс, возможно, удерживал уровень атмосферного кислорода на низком уровне, откладывая резкий скачок, связанный с GOE. Это поразительный пример того, как жизнь находит способы адаптироваться, независимо от условий.
Почему это важно
Это исследование не просто заполняет пробел в истории Земли — оно меняет наше понимание того, как жизнь разнообразилась и процветала в постоянно меняющемся мире. Работа команды MIT, поддержанная программой Research Corporation for Science Advancement Scialog, опирается на многолетние исследования, собирающие воедино головоломку насыщения Земли кислородом. Как отмечает Хусейн, «кусочки пазла складываются и действительно подчеркивают, как жизнь смогла разнообразиться и существовать в этом новом, насыщенном кислородом мире».
Для нас, живущих в мире, богатом кислородом, трудно представить время, когда этот газ был в дефиците. Однако миллиарды лет назад жизнь уже экспериментировала с тем, как его использовать. Это открытие напоминает нам о стойкости и изобретательности жизни на Земле, даже в ее самых ранних и чуждых формах. Кто знает, какие еще тайны прошлого нашей планеты ждут своего часа, чтобы быть раскрытыми?
Источник: ScienceDaily