Когда-то в атмосфере нашей планеты почти не было кислорода, и первые земные организмы были анаэробными. Для поддержание жизнедеятельности им были необходимы сравнительно редкие на Земле соединения серы и железа. Но появление кислородного фотосинтеза радикально изменило облик земной биосферы. Фотосинтезирующие цианобактерии стали получать всё необходимое из имеющихся в изобилии воды и углекислого газа, использовать углерод и водород, а ненужный кислород выбрасывать в атмосферу. Но кислород был не просто не нужен большинству тогдашних организмов, он был токсичен. Мощный окислитель легко повреждает сложные органические молекулы.
Примерно 2,5 миллиарда лет назад это привело к грандиозной экологической катастрофе. Анаэробное население Земли, тогда состоящее исключительно из одноклеточных прокариот, не выдержало высокой концентрации ядовитого газа и начало вымирать. Лишь немногие потомки древнейших, сохранившие «верность традициям», скрылись в местах, для проникновения атмосферного воздуха недоступных, остальные либо погибли либо изменили свой облик до неузнаваемости, обзаведясь противокислородной защитой и заодно научившись обращать ядовитый газ для своего блага. Мир захватили аэробы. Жизненные процессы, связанные с использованием кислорода, биологи любят сравнивать с использованием в технике ядерных реакций. Очень опасно, но преимущества даёт огромные.
Пока у нас сравнительно мало сведений о том, когда и как возник фотосинтез, как он развивался и совершенствовался, сколько времени прошло от появление первых фотосинтезирующих бактерий до кислородной катастрофы, а сколько потребовалось для того, чтобы отточить механизм до нынешнего совершенства. Но хотя бактериальная палеонтология — молодая наука, она уже может похвастаться значительными успехами.
В древнейших сохранившихся земных породах, возраст которых определяют в 3,8 млрд. лет уже есть следы организмов, очень похожих морфологически на современных фотосинтезирующих цианобактерий, но обладали ли эти одноклеточные кислородным фотосинтезом, с уверенностью сказать нельзя.
Какой-то свет на историю развития фотосинтезирующего аппарата проливает биология современных видов. Здесь биохимию изучать легче, чем когда имеешь дело с окаменелостями. В 2021 году в Панаме открыли новый вид цианобактерии, выделив её из местного мха. Её фотосинтетический аппарат был самым простым из известных. Набор белков, задействованных в фотосинтезе, гораздо меньший, чем учёные привыкли видеть у цианобактерий и отсутствуют специальные структуры, увеличивающие эффективность процесса — тилакоиды. Это такие окруженные мембраной «мешочки», в которых и расположен все необходимые белковые крмплексы.
Как следствие несовершенства аппарата, скорость роста панамской бактерии очень невелика. В случае отсутствия органической подпитки при ярком освещении она делится раз в три дня, а при тусклом, так и вовсе раз в неделю. Бактерии с нормальным продвинутым фотосинтетическим аппаратом обычно успевают поделится за сутки не один раз.
Из отсутствия у панамской бактерии тилакоидов следует, что у общего предка всех цианобактерий их тоже не было. Но недавнее палеонтологическое открытие показывает, что тилакоиды, тем не менее появились довольно давно. В руки учёных попали хорошо сохранившиеся окаменелости цианобактерий сразу из трёх различных регионов нашей планеты (Австралии, Канады, Центральной Африки) и у всех у них просматриваются тилакоиды. Возраст этих окаменелостей превышает 1,7 млрд. лет. Старейшая бактерия (из Австралии) здравствовала примерно 1,75 млрд. лет назад. Существовали ли подобные бактерии до Кислородной катастрофы — пока вопрос открытый. Возможно, их появление и стало её причиной, но теоретически с отравлением атмосферы кислородом могли справится и более примитивные цианобактерии.
Автор: Наталья Беспалова