Микробы могли осуществлять фотосинтез с выработкой кислорода по крайней мере на миллиард лет раньше в истории Земли, чем считалось ранее.
Находка может изменить представление о том, как и когда сложная жизнь возникла на Земле, и насколько вероятно, что она могла развиться на других планетах.
Кислород в атмосфере Земли необходим сложным формам жизни, которые используют его во время аэробного дыхания для производства энергии.
Уровни кислорода резко возросли в атмосфере около 2.4 миллиарда лет назад, но почему это произошло тогда, ведутся споры. Некоторые ученые считают, что 2,4 миллиарда лет назад впервые появились организмы, называемые цианобактериями, которые могли осуществлять кислородопродуцирующий (оксигенный) фотосинтез.
Другие учёные считают, что цианобактерии появились задолго до 2,4 миллиарда лет назад, но что-то мешало накоплению кислорода в воздухе.
Цианобактерии осуществляют относительно сложную форму оксигенного фотосинтеза - тот же тип фотосинтеза, который делают сегодня все растения. Поэтому было высказано предположение, что более простые формы оксигенного фотосинтеза могли существовать раньше, до появления цианобактерий, что приводило к низкому уровню кислорода, доступного для жизни.
Теперь исследовательская группа во главе с Имперским колледжем Лондона обнаружила, что оксигенный фотосинтез возник как минимум за миллиард лет до появления цианобактерий. Их результаты, опубликованные в журнале Geobiology, показывают, что оксигенный фотосинтез мог развиться очень рано на Земле 4.5-миллиардная история.
Ведущий автор доктор Танай Кардона из Департамента наук о жизни Imperial сказал: «Мы знаем, что цианобактерии очень древние, но мы не знаем точно, насколько они древние. Если цианобактериям, например, 2,5 миллиарда лет, Это означает, что оксигенный фотосинтез мог начаться уже 3,5 миллиарда лет назад. Это предполагает, что процесс, подобный оксигенному фотосинтезу, может не пройти миллиарды лет, чтобы начаться после зарождения жизни».
Если оксигенный фотосинтез развился раньше, это может означать, что это относительно простой процесс эволюции. Тогда вероятность возникновения сложной жизни на далекой экзопланете может быть довольно высокой.
Ученым трудно выяснить, когда на Земле появились первые производители кислорода. Чем старше породы, тем они реже, и тем труднее убедительно доказать, что какие-либо ископаемые микробы, обнаруженные в этих древних породах, использовали или производили какое-либо количество кислорода.
Вместо этого команда исследовала эволюцию двух основных белков, участвующих в оксигенном фотосинтезе.
На первом этапе фотосинтеза цианобактерии используют световую энергию для расщепления воды на протоны, электроны и кислород с помощью белкового комплекса под названием Фотосистема II.
Фотосистема II состоит из двух белков, называемых D1 и D2. Первоначально эти два белка были одинаковыми, но хотя они имеют очень похожую структуру, лежащие в их основе генетические последовательности теперь различаются.
Это показывает, что D1 и D2 развивались раздельно - у цианобактерий и растений они имеют только 30% общей генетической последовательности. Даже в своей первоначальной форме D1 и D2 могли осуществлять оксигенный фотосинтез, поэтому знание того, как давно они были идентичны, могло бы показать, когда впервые развилась эта способность.
Чтобы выяснить разницу во времени между D1 и D2, которые на 100 процентов идентичны, и между ними, которые совпадают только на 30 процентов у цианобактерий и растений, команда определила, как быстро меняются белки - скорость их эволюции.
Используя мощные статистические методы и известные события в эволюции фотосинтеза, они определили, что белки D1 и D2 в Фотосистеме II эволюционировали чрезвычайно медленно - даже медленнее, чем некоторые из самых старых белков в биологии, которые, как полагают, обнаружены в самые ранние формы жизни.
Исходя из этого, они подсчитали, что время между идентичными белками D1 и D2 и 30-процентно похожими версиями у цианобактерий и растений составляет не менее миллиарда лет, а может быть и больше.
Доктор Кардона сказал: «Обычно появление оксигенного фотосинтеза и цианобактерий считается одним и тем же. Итак, чтобы выяснить, когда впервые вырабатывался кислород, исследователи попытались выяснить, когда впервые появились цианобактерии..
Наше исследование вместо этого показывает, что оксигенный фотосинтез, вероятно, начался задолго до появления самого последнего предка цианобактерий. Это согласуется с текущими геологическими данными, которые предполагают, что дуновения кислорода или локализованные скопления кислорода были возможны до трех миллиардов лет. много лет назад.
"Поэтому происхождение оксигенного фотосинтеза и предок цианобактерий не представляют собой одно и то же. Между одним и другим может быть очень большой разрыв во времени. Это серьезное изменение точки зрения."
Теперь команда пытается воссоздать то, как выглядела фотосистема до появления D1 и D2. Используя известные вариации генетических кодов фотосистем у всех современных видов, они пытаются собрать воедино генетический код фотосистем предков.