История формирования земной атмосферы скрывает в себе загадки, которые ученые пытаются разгадать на протяжении десятилетий. Последние данные биоинформатики указывают на то, что живые организмы начали осваивать кислородное дыхание за сотни миллионов лет до того, как этот газ стал преобладать в воздухе. Это открытие заставляет полностью пересмотреть хронологию развития жизни на нашей планете и роль ранних бактерий в глобальных геохимических процессах. Об этом сообщает "НАУКА из первых рук".
Сегодняшняя атмосфера Земли на 23% состоит из свободного кислорода, который является топливом для большинства биологических процессов. Однако на заре существования планеты ситуация была диаметрально противоположной: в течение полутора миллиардов лет свободного кислорода практически не существовало. Переломный момент наступил около 2,3 миллиарда лет назад, когда произошла так называемая "кислородная катастрофа", открывшая путь для эволюции современных животных и растений. Понимание этих глобальных перемен невозможно без изучения того, как космические тела доставляют воду и другие химические элементы на молодую Землю.
Главными виновниками этой революции стали цианобактерии, которые первыми освоили фотосинтез, выделяя кислород как побочный продукт жизнедеятельности. Парадокс заключается в том, что эти микроорганизмы появились еще 2,9 миллиарда лет назад, то есть задолго до насыщения атмосферы газом. Долгое время считалось, что вырабатываемый ими кислород просто поглощался океаном и горными породами, окисляя железо и серу. Но современные исследования показывают, что динамика этого процесса была гораздо сложнее и зависела от биологических факторов.
Группа ученых из ведущих университетов США провела масштабную работу по реконструкции эволюции ферментов, ответственных за аэробное дыхание. Исследователи сосредоточились на гемо-медных кислородных редуктазах, которые позволяют клеткам восстанавливать кислород до состояния воды с выделением энергии. С помощью методов биоинформатики были проанализированы генетические коды тысяч современных видов, что позволило выстроить глобальное "древо жизни" в разрезе дыхательных механизмов.
Чтобы привязать генетические изменения к реальным эпохам, специалисты использовали метод "молекулярных часов", сопоставляя данные с палеонтологическими находками. В ходе анализа выяснилось, что ключевые ферменты для дыхания кислородом возникли в мезоархейском периоде, примерно 3,2-2,8 миллиарда лет назад. Это означает, что примитивные аэробы существовали бок о бок с первыми производителями кислорода, эффективно утилизируя его еще до того, как он начал накапливаться в атмосфере. Такие древние механизмы выживания напоминают современную борьбу видов, где популяция североатлантического гладкого кита или других редких существ зависит от способности адаптироваться к изменяющейся среде.
"Используя возраст известных окаменелостей как временные метки, ученым удалось датировать этапы эволюции этих ферментов", — отмечается в материале.
Существование ранних аэробов проливает свет на причину огромного временного разрыва между появлением фотосинтеза и "кислородной катастрофой". Вполне вероятно, что едва цианобактерии начинали насыщать окружающую среду кислородом, соседние организмы тут же его поглощали. Эта невидимая борьба на микроуровне выступала своеобразным тормозом, который на протяжении сотен миллионов лет удерживал планету от глобального окисления. Биосфера того времени была настроена на моментальное потребление любого доступного ресурса.