Возможно, самое значительное событие в эволюции жизни на Земле произошло 2,4 миллиарда лет назад. Именно тогда количество кислорода в атмосфере и поверхностных водах океана быстро возросло, что подготовило почву для нового этапа жизни на нашей планете.
Большинство форм жизни, с которыми мы знакомы, появились на планете относительно недавно.
Кислород вырабатывается путем фотосинтеза - процесса, который развивается в виде бактерий, называемых цианобактериями. Также известные - ошибочно - как сине-зеленые водоросли, сегодня их можно встретить как прудовые отбросы.
Цианобактерии - это прокариоты: простые одноклеточные организмы. Настоящие водоросли - эукариоты: более сложные, более крупные организмы. Оба осуществляют одни и те же фотосинтетические реакции, превращая энергию солнца в молекулы кислорода и пищи. Первые настоящие водоросли, как и другие одноклеточные эукариоты, появились по меньшей мере 1,4 миллиарда лет назад, но, как ни странно, остались на заднем плане жизни еще 800 миллионов лет, и в этот момент их число и разнообразие стремительно росло.
Новые исследования ученых-землеустроителей подтверждают раннее значение цианобактерий в первозданных океанах и дают представление о том, почему настоящие водоросли так долго не могли стать основой пищевой цепочки.
Большая часть наших знаний об истории эволюции происходит из ископаемых. К сожалению, мягкотелые организмы, такие как водоросли, редко оставляют окаменелости. Но исследователи могут восстановить биомолекулы, которые они содержали, устойчивые к деградации. Найденные в древних отложениях, ученые могут использовать эти молекулярные окаменелости, называемые биомаркерами, для определения того, какие типы организмов присутствовали в момент образования отложений.
Были изучены отложения, возраст которых составляет 1,1 миллиарда лет, на глубине 140-200 метров под поверхностью одного из участков Мавритании. Этот уголок на северо-западе Африки когда-то был покрыт океаном. Исследователи не обнаружили биомаркеров, указывающих на наличие эукариот, но нашли биомаркеры, указывающие на наличие нескольких типов прокариот. Значит, настоящих водорослей нет, но много свидетельств о наличии фотосинтезирующих бактерий. Особый интерес представляют молекулы, называемые порфиринами, которые являются остатками хлорофилла - молекулярной основы фотосинтеза.
Для того чтобы сделать свою химическую работу, порфирин в хлорофилле содержит атом магния, который отвечает за его зеленый цвет. Это то, что делает листья и водоросли зелеными. Но в этих розовых экстрактах у порфирина оказался атом никеля. Скорее всего, никель заменил магний примерно на миллиарды с лишним лет молекулы, состаренные в осадочных породах.
Так что розовый цвет не был первоначальным цветом хлорофилла. Должно быть, он был зеленым, как и в современных живых растениях.
Водоросли берут верх над бактериями
Главный вывод исследователей состоит в том, что 1,1 миллиарда лет назад фотосинтетические бактерии, в которых, скорее всего, доминировали цианобактерии, были основой пищевой цепи в океане. Поскольку бактерии были маленькими, они медленно тонули и деградировали под воздействием других бактерий, находящихся высоко в толще воды. Малая часть содержащихся в них драгоценных питательных веществ достигала дна океана.
Кроме того, при низком содержании питательных веществ цианобактерии выживают лучше, чем эукариотические водоросли, что еще больше ограничило бы эволюцию этих крупноклеточных фотосинтетических организмов.
Что вызвало сдвиг около 650 миллионов лет назад с океана, в котором доминировали цианобактерии, на океан, в котором доминировали настоящие водоросли? Этот сдвиг произошел всего лишь через 4 миллиона лет после окончания мирового оледенения, во время которого океаны были заморожены более 50 миллионов лет назад. Затем ледники растаяли, вероятно, потому, что повышение уровня углекислого газа создавало парниковый эффект, нагревая Землю. Температура океанов быстро росла, возможно, убив множество оставшихся цианобактерий. Кроме того, по мере таяния ледников в океаны попадало бы огромное количество питательных веществ, что обратило бы вспять конкурентный недостаток водорослей, которые затем могли бы развиваться и расширяться.
С появлением этих более крупных, быстрорастущих водорослей в качестве основы пищевой цепочки была заложена основа для эволюции и расширения более крупных потребителей эукариотических веществ.