История земной атмосферы довольно сложная и увлекательная. Вначале не было ничего, кроме водорода и гелия. Потом в результате очень бурной вулканической деятельности планету окутала оболочка из углекислого газа и аммиака, а первичная водородно-гелиевая атмосфера улетучилась в космос. Откуда взялся водяной пар – вопрос до сих пор дискуссионный. Возможно, его занесло из космоса, а вот молекулярный кислород , которого изначально не было, научились производить на месте. Практически весь кислород, которого в современной атмосфере Земли 23, 14%, извлекли из углекислого газа и воды живые организмы.
Как с очевидностью следует из предыдущего абзаца, самые первые земные обитатели в кислороде не нуждались. Такие анаэробные организмы существуют и сейчас, но их осталось мало, многим из них кислород жить мешает и они занимают узкие экологические ниши. А когда-то процветали. До тех пор, пока кто-то, себе не радость и соседям на беду, не освоил фотосинтез, способ синтезировать органику для строительства собственного теле из воды и углекислого газа под воздействием солнечного света. А лишний кислород выбрасывать в атмосферу. Приблизительно 2,4 – 2,3 млрд. лет назад этих вредных отходов скопилось в атмосфере столько, что случилась кислородная катастрофа. Значительная часть населения Земли, которую тогда составляли исключительно одноклеточные прокариоты, отравилась этим химически активным газом, выжили немногие приспособившиеся. Выжили и дали начало новому витку эволюции планеты.
Вопрос , когда появились первые фотосинтезирующие организмы, оказался непростым. Ясно, что раньше, чем 2,3 млрд. лет назад, но насколько раньше? Сейчас фотосинтетики – это либо цианобактерии, либо эукариоты, имеющие в своих клетках пластиды, от цианобактерий происходящие. Когда же они появились? Было время, казалось, что узнать это невозможно, но современные методы позволяют выявлять останки даже очень мелких мягкотелых организмов в очень древних геологических породах.
Древнейшие из сохранившихся до наших дней пород возрастом 3,8 млрд. лет исследовали на наличие в них признаков жизни и обнаружили останки кого-то очень похожего на современных цианобактерий. Стало быть, потенциальные убийцы анаэробов существовали уже за полтора миллиарда лет до кислородной катастрофы, просто кислород накапливался медленно? Может быть, но изучение окаменелостей даёт представление о морфологии древних бактерий, но не об их биохимии. Они могли быть фотосинтетиками, а могли и не быть, несмотря на внешнее сходство.
Долгое время, однако, учёные склонялись к первому варианту. Просто потому, что столь похожие на классических цианобактерий нефотосинтезирующие организмы не были им известны. Но время показало, что дело в ограниченности знаний. Не так давно специалисты могли изучать лишь тех бактерий, которых можно культивировать в искусственной среде, а это далеко не весь ассортимент и даже не большинство. Потом разработали метод метагеномного анализа, когда геном микроорганизма восстанавливают по фрагментам ДНК, которые извлекают из среды обитания. Так было сделано много важных открытий.
В частности была открыта группы микроорганизмов, получившие название Melainabacteria и Sericytochromatia. Они очень похожи на фотосинтезирующих цианобактерий Oxyphotobacteria не только внешне, но и генетически и, без сомнения, происходят от общего предка, но к фотосинтезу неспособны. Добывают себе пропитание, потребляя готовую органику.
Анализ геномов показал, что Oxyphotobacteria обзавелась необходимыми для фотосинтеза белками после того, как пути родственников разошлись. Предварительно дату этого события определили как 2, 6 – 2, 5 млрд. лет назад. То есть, фотосинтезирующие цианобактерии полностью преобразили земную биосферу меньше чем за пару сотен миллионов лет. Ряд исследователей, однако, в этой дате усомнились, прежде всего, потому, что разделение на филогенетические (восходящие к общему предку) группы уже Oxyphotobacteria, видимо, произошло раньше. А это событие – верхняя временная граница возникновения фотосинтеза, как разделение Melainabacteria, Sericytochromatia и Oxyphotobacteria – нижняя. Методы датировки в этой научной области пока, увы, не слишком точные, но постоянно совершенствуются. Ждём новых интересных исследований.
Автор: Наталья Беспалова
Кот настоятельно рекомендует подписываться на журнал "Наука и Техника"
#биология #эволюция #бактерии #фотосинтез #открытия