Сегодня кислород – неотъемлемая часть жизни и воздуха, которым мы дышим. Однако на протяжении большей части ранней истории Земли все было иначе. Кислород стал постоянным компонентом атмосферы лишь около 2,3 миллиарда лет назад, в переломный период, известный как Великое кислородное событие. Этот сдвиг навсегда изменил планету и открыл путь для эволюции организмов, использующих кислород для дыхания.
Новое исследование ученых из Массачусетского технологического института (MIT) представляет доказательства того, что некоторые формы жизни могли научиться использовать кислород на сотни миллионов лет раньше. Их выводы, опубликованные в журнале Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, могут быть одним из самых ранних свидетельств аэробного дыхания на Земле и помогают разгадать давнюю загадку: почему кислороду потребовалось так много времени, чтобы накопиться в атмосфере?
Первыми известными производителями кислорода были цианобактерии – микробы, которые научились использовать солнечный свет и воду для фотосинтеза, выделяя кислород в качестве побочного продукта. По оценкам ученых, они появились около 2,9 миллиарда лет назад. Это означает, что цианобактерии производили кислород в течение сотен миллионов лет до Великого кислородного события. Долгое время считалось, что этот ранний кислород в основном поглощался в ходе химических реакций с горными породами, но теперь появилась и другая гипотеза – его могли потреблять другие живые организмы.
Чтобы проверить эту идею, исследователи сосредоточились на происхождении ключевого фермента, который позволяет организмам потреблять кислород, превращая его в воду. Этот фермент – гем-медь оксигеназа-редуктаза – присутствует у большинства современных аэробных организмов, от бактерий до человека. «Мы сосредоточили наш анализ на ядре этого фермента, потому что именно там происходит реакция с кислородом», – объясняет соавтор исследования Фатима Хусейн.
Команда поставила перед собой задачу определить, когда этот фермент появился впервые. Ученые идентифицировали его генетическую последовательность, а затем проанализировали огромные базы геномов, содержащие миллионы видов, чтобы найти совпадения. После отбора и фильтрации данных до нескольких тысяч репрезентативных видов исследователи разместили последовательности фермента на эволюционном древе жизни. Используя возраст известных окаменелостей для калибровки временной шкалы, они смогли с высокой точностью датировать возникновение различных ветвей.
Анализ показал, что фермент, а следовательно, и способность использовать кислород, впервые возникли в мезоархейскую эру – от 3,2 до 2,8 миллиарда лет назад. Это на сотни миллионов лет раньше Великого кислородного события. Результаты предполагают, что почти сразу после того, как цианобактерии начали производить кислород, другие микробы, жившие по соседству, развили механизм для его потребления. Таким образом, эти ранние аэробные организмы, возможно, действовали как «поглотители» кислорода, не давая ему накапливаться в атмосфере в течение миллионов лет.
«Это действительно кардинально меняет историю аэробного дыхания, – говорит Фатима Хусейн. – Наша работа дополняет недавние представления о том, что жизнь могла использовать кислород гораздо раньше, чем считалось. Это показывает нам, какой невероятно изобретательной была жизнь во все периоды истории Земли». Новые данные заполняют пробелы в нашем понимании того, как происходило насыщение планеты кислородом, и демонстрируют, как жизнь смогла диверсифицироваться и адаптироваться к новому, обогащенному кислородом миру.
