Исследование возникновения оксигенного фотосинтеза

Около 2,4 миллиарда лет назад, в конце архейского эона, планетарное увеличение уровня кислорода, известное как Великое кислородное событие (ВКС), создало знакомую нам атмосферу. Исследователи сходятся во мнении, что этот переход был вызван глобальным распространением фотосинтезирующих микробов, способных расщеплять воду с образованием молекулярного кислорода (O₂). Однако, как отмечает Таня Босак, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (MIT), неизвестно, как задолго до ВКС эти организмы эволюционировали.

Новое исследование Босак, опубликованное в Nature, предполагает, что теперь может стать ещё сложнее определить момент появления кислород-продуцирующих микробов в геологической летописи.

Сигнал в породах

Первые микробы, производившие кислород, не оставили дневников, поэтому учёные ищут тонкие следы их появления, которые могли сохраниться за миллиарды лет. Усложняет задачу то, что, хотя свидетельства ВКС найдены по всей Земле, ранние колонии кислород-продуцирующих организмов, вероятно, существовали в небольших прудах или водоёмах. Любые их следы были бы географически изолированы.

Некоторые учёные считают локальные следы минерала оксида марганца в древних осадках индикатором существования кислород-продуцирующих организмов. Это связано с тем, что окисление марганца считалось возможным только при наличии значительного количества O₂, большего, чем обычно существовало в атмосфере до ВКС. Таким образом, находка оксида марганца в отложениях, предшествующих ВКС, указывала бы на эволюцию кислород-продуцирующих организмов к тому времени.

Но оказалось, что окислить марганец можно более чем одним способом.

Анаэробные микробы меняют правила игры

Как описано в новой статье, Босак и её бывший постдок Мирна Дайе обнаружили, что колонии современных микробов могут осуществлять этот процесс в анаэробных условиях, типичных для позднего архея. В отличие от организмов, вызвавших ВКС, микробы Дайе и Босак используют сульфид вместо воды для фотосинтеза и не производят молекулярный кислород. Большинство учётов полагает, что этот тип анаэробного фотосинтеза возник как предшественник оксигенного, а микробы Дайе и Босак содержат генетический аппарат, сходный с тем, что, как считается, существовал до эволюции бактерий, способных производить кислород.

Демонстрация группой Босак окисления марганца в анаэробной среде означает, что следы древнего оксида марганца могут быть ненадёжным индикатором локальной эволюции кислород-продуцирующей жизни. Это может быть просто сигналом присутствия других организмов, уже считавшихся широко распространёнными в то время.

Соавторами Босак выступили доцент геобиологии Грегори Фурнье, а также бывшие постдоки Мирна Дайе и Михкель Паюсалу из MIT; Ваня Клепац-Церай, Софи Роуленд и Анна Фаррелл-Шерман из колледжа Уэллсли; Николаус Бейкес из Университета Йоханнесбурга и Нобумичи Тамура из Национальной лаборатории в Беркли.

Ставя под сомнение древний марганец

«Открытие новых механизмов, с помощью которых оксид марганца мог образовываться в архейских средах до подъёма кислорода, чрезвычайно интересно, потому что многие из прокси, которые мы [использовали] для наличия кислорода [и, следовательно, микробов, способных его производить] в первой половине истории Земли, являются… фактически прокси для наличия оксида марганца», — отмечает Ариэль Анбар, профессор Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона, не участвовавший в исследовании. «Это заставляет нас глубже задуматься о прокси, которые мы используем, и действительно ли они указывают на O₂».

«То, что мы находим, не обязательно говорит о том, что те, кто интерпретирует эти всплески кислорода до ВКС, ошибаются. Это просто заставляет меня серьёзно задуматься, — говорит Босак. — Тот факт, что мы добавили несколько микробов и обнаружили эти процессы, которые просто никогда не рассматривались, говорит о том, что мы действительно многого не понимаем в том, как жизнь и окружающая среда совместно эволюционировали».