Ученые заглянули в океаны древней Земли — Ин-Спейс

Современные микробы открывают окно в древний океан. Добро пожаловать в новую микроскопическую машину времени.

Ученые обнаружили, что одноклеточные организмы, живущие в современных океанах, могут иметь много общего с формами жизни, существовавшими миллиарды лет назад и коренным образом изменившими нашу планету. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, раскрывает подробности жизни самых трудолюбивых микробов: цианобактерий.

Ученые заглянули в океаны древней Земли - Ин-Спейс

2

Цианобактерии в озере Эри (США, Канада). Credit: Tim Davis

Эти одноклеточные фотосинтезирующие организмы, также известные как «сине-зеленые водоросли», можно найти практически в любом большом водоеме. Но более 2 миллиардов лет назад они сыграли чрезвычайно важную роль в истории жизни на Земле: во время периода, известного как «Великое событие оксигенации», древние цианобактерии произвели внезапный и резкий выброс кислородного газа.

«Мы видим полный сдвиг в химии океанов и атмосферы, который направил эволюцию по новому пути. Сегодня всем высшим животным для выживания нужен кислород», – рассказывает Сара Херли, ведущий автор исследования и научный сотрудник отдела геологических наук и биохимии из Университета Колорадо в Боулдере (США).

На сегодняшний день ученые не знают, что представляли собой эти основополагающие микробы, где они обитали и что вызвало их трансформацию. Но Сара Херли и ее коллеги полагают, что они приблизились к ответу, опираясь на исследования природных и генетически модифицированных цианобактерий. Команда сообщает, что эти древние микробы, возможно, свободно плавали в открытом океане и напоминали современную форму жизни, называемую бета-цианобактериями.

Дышите глубже

Цианобактерии в настоящее время производят около четверти кислорода, поступающего из Мирового океана.

Один из секретов их успеха может заключаться в карбоксисомах – крошечных, выстланных белком отсеках, которые плавают внутри всех живых цианобактерий. Эти карманы имеют жизненно важное значение, позволяя микробам концентрировать молекулы углекислого газа в своих клетках.

«Способность накапливать углерод позволяет цианобактериям жить при действительно низких современных концентрациях углекислого газа в контексте истории Земли», – отметили авторы исследования.

Ученые заглянули в океаны древней Земли - Ин-Спейс

Клетки цианобактерий под микроскопом. Credit: Josef Reischig

Однако до Кислородной катастрофы все было по-другому. Уровни углекислого газа в атмосфере были в 100 раз выше, чем сегодня, а кислород почти отсутствовал. По этой причине долгое время считалось, что древние микроорганизмы обходились без карбоксисом.

Воскрешение зомби-микробов

Команда изучила два типа цианобактерий, культивированных в среде, приближенной к условиям древней Земли. Первым видом были бета-цианобактерии, которые сегодня распространены в океанах. Но ученые также добавили новый поворот в исследование. Они попытались «воскресить» древнюю цианобактерию, использовав генную инженерию для создания особого типа микроорганизмов, не имеющего карбоксисом.

Ученые заглянули в океаны древней Земли - Ин-Спейс

Изображение клеток цианобактерий. Современная клетка (слева) содержит карбоксисомы, которые концентрируют ферменты (зеленый цвет), перерабатывающие углекислый газ. Клетка справа создана с помощью генной инженерии, и, как считалось, напоминает древние цианобактерии, у которых отсутствуют карбоксисомы. Credit: Nicholas C. Hill and Jeffrey C. Cameron

Разные типы цианобактерий предпочитают поглощать разные изотопы атомов углерода. В результате, когда они растут, умирают и разлагаются, организмы оставляют после себя различные химические признаки в древних осадочных породах.

«Мы думаем, что цианобактерии появились миллиарды лет назад. Теперь мы можем понять, что они делали и где обитали, потому что у нас есть записи об их метаболизме», – пояснила Сара Херли.

Но когда исследователи изучили метаболизм выращенных ими культур, они обнаружили кое-что удивительное: их цианобактерии-зомби, похоже, не производили химическую сигнатуру, которая соответствовала бы следам изотопов углерода, ранее наблюдаемых в записях горных пород. Фактически, наиболее вероятно, что эти признаки оставили именно бета-цианобактерии, существующие по сей день.

Другими словами, команда, вероятно, наткнулась на живое ископаемое, которое скрывалось у всех на виду. И, по их словам, очевидно, что цианобактерии, жившие примерно во время Великого события оксигенации, действительно имели структуру, похожую на карбоксисому. Она могла помочь клеткам защитить себя от растущей концентрации кислорода в воздухе.

«Наша работа открывает окно в то время, когда на Земле правили одноклеточные организмы. Теперь у нас есть гораздо лучшее представление о том, как выглядели древние цианобактерии и где они обитали. А это означает, что мы можем приступить к экспериментам, которые позволят определить, на что была похожа жизнь в океане 2 миллиарда лет назад», – заключили авторы исследования.

Источник