Генетические исследования позволили определить, когда жизнь начала производство кислорода. Танай Кардона (Tanai Cardona) из Имперского колледжа Лондона вычислил, что это случилось более чем 3,4 миллиарда лет назад.
Это одна из самых оптимистичных оценок, встречающихся в научной литературе на сегодняшний день. И она на миллиард лет отличается от консервативной датировки в 2,4 миллиарда лет, соответствующей началу кислородной революции.
В арсенале жизни немало химических процессов, благодаря которым она может получать энергию. Так, по оценкам экспертов, не менее половины биомассы современной Земли составляют микробы земной коры, не нуждающиеся ни в свете, ни в кислороде.
Тем не менее пренебрегать таким источником энергии, как солнечный свет, жизнь, разумеется, не стала. Уже 3,5 миллиарда лет назад, а возможно, и раньше, она включила в свой "репертуар" фотосинтез. Однако это вовсе не означает, что тогда же живые организмы стали вырабатывать кислород.
Дело в том, что фотосинтезом называется любой процесс, вырабатывающий органику с помощью энергии света. Со школьной скамьи каждому известен классический рецепт: углекислый газ + вода + свет = сахар + кислород. Однако это далеко не единственный вариант.
Существует и бескислородный (как говорят специалисты, аноксигенный) фотосинтез. Он малоэффективен и для него требуются относительно редкие элементы (сера, железо, иногда даже мышьяк), но он и поныне используется многими прокариотами в качестве резервного источника энергии. И процессы этого типа были "изобретены", как полагают учёные, много раньше оксигенного фотосинтеза.
Вероятно, одни из первых фотосинтетиков использовали в качестве сырья не воду, а сероводород (H2S). Водород они расходовали на "строительство" органики, а серу выделяли в чистом виде или же в виде радикала SO42-.
Когда же возник "кислородный" фотосинтез? Учёные спорят об этом уже давно. Самые оптимистичные эксперты указывают на окисленные породы возрастом 3,8 миллиарда лет, то есть заявляют, что оксигенные фотосинтетики практически ровесники жизни. Другие указывают на ископаемые возрастом 3,5 миллиарда лет, в которых современные технологии позволили разглядеть клеточные оболочки цианобактерий.
Так называемыми цианобактериальными матами производятся и строматолиты (о них "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) недавно писали). Древнейшим из строматолитов около 3,4 миллиарда лет. Найдены также продукты распада хлорофилла и даже неразложившийся пигмент цианобактерий возрастом 3,1 миллиарда лет.
Тем не менее, многие эксперты скептически оценивают все эти свидетельства. Они подвергают сомнению либо датировку находок, либо их интерпретацию. Например, есть версии, что ископаемые остатки могут принадлежать не цианобактериям, а другим организмам, а некоторые могут иметь и вовсе не биологические происхождение.
Поэтому наиболее консервативные учёные датируют "изобретение" оксигенного фотосинтеза точкой в 2,5–2,4 миллиарда лет назад, когда наличие в атмосфере свободного кислорода становится уже невозможно отрицать. Работа Кардоны парадоксальным образом показывает, что обе стороны по-своему правы: жизнь начала производить кислород очень рано, но занимались этим отнюдь не цианобактерии.
Исследователь не стал брать в руки геологический молоток или подсчитывать содержание радиоактивных изотопов. Вместо этого он обратил внимание на гены белков, необходимых для "кислородного" фотосинтеза.
И оксигенный, и аноксигенный варианты процесса используют фермент под названием фотосистема I. Однако они отличаются устройством активного центра фермента. Кардона задался простым вопросом: как долго должны накапливаться мутации, чтобы обеспечить такое различие?
"Это первый случай, когда кто-то пытался оценить время эволюции фотосистем", – говорит исследователь.
Однако на простой вопрос, как всегда, оказалось непросто ответить. Учёный использовал метод, известный как байесовские релаксированные молекулярные часы. Однако простейшая модель накопления мутаций привела к удивительному выводу: фермент фотосистема I старше Земли.
Автор не стал интерпретировать такой результат в пользу инопланетного происхождения жизни, а вместо этого счёл, что изменения происходили неравномерно. Возможно, на заре жизни белок мутировал куда активнее, чем сейчас. Уточнённая оценка показала, что процесс расхождения начался более чем 3,4 миллиарда лет назад.
Между тем различия в строении фермента – это не слепая случайность, а эволюционный защитный механизм, предохраняющий белок от повреждения образующимися активными формами кислорода. Зарождение этого механизма, по мысли учёного, и маркирует начало эры оксигенного фотосинтеза.
В той же статье Кардона приводит и свои результаты по возрасту цианобактерий. По расчётам исследователя, последний общий предок этой группы жил как раз перед самой кислородной революцией, начавшейся 2,4 миллиарда лет назад.
Получается следующая картина: оксигенный фотосинтез – явление очень древнее, но в течение целого миллиарда лет он использовался немногими организмами. Так было, пока на эволюционной сцене не появились цианобактерии, превратившие его в буквальном смысле в оружие массового поражения. Напомним, что кислородная революция привела к массовому вымиранию организмов, которым новый состав воздуха пришёлся не по нутру.
Впрочем, полученные результаты, разумеется, ещё должны быть проверены независимыми экспертами.
"Мы все ещё не знаем, почему жизнь такая, какая она есть, и как возникло большинство биологических процессов, – признаётся Кардона. – Иногда наши наилучшие сформулированные гипотезы даже близко не подходят к тому, чтобы представить, что действительно происходило в столь далёкие времена".
Напомним, что ранее мы рассказывали о древнейшем кислородном оазисе и о том, как давно на самом деле растения заселили сушу.
