Фотосинтез мог возникнуть раньше, чем мы думали

Доктор Танай Кардона, исследователь Имперского колледжа Лондона, Великобритания, изучил молекулярные машины, ответственные за кислородный фотосинтез, и обнаружил, что этот процесс, возможно, начал развиваться 3,6 миллиарда лет назад.

Фотосинтез — это процесс, который поддерживает сложную жизнь на Земле — весь кислород на нашей планете происходит от фотосинтеза.

Существует два типа фотосинтеза: (i) кислородный фотосинтез, который использует световую энергию для разделения молекул воды, высвобождения кислорода, электронов и протонов; и (ii) аноксигенный фотосинтез, который использует такие соединения, как сероводород или минералы, такие как железо или мышьяк, вместо воды, и он не продуцирует кислород.

Раньше ученые полагали, что аноксигенит развился задолго до кислородного фотосинтеза и что атмосфера Земли не содержала кислорода до периода примерно 2,4-3 миллиарда лет назад.

Тем не менее, работа доктора Кардоны предполагает, что происхождение кислородного фотосинтеза могло быть на целый миллиард лет раньше, что означает, что сложная жизнь также могла бы развиваться раньше.

Исследователь хотел выяснить, когда возник кислородный фотосинтез.

Вместо того, чтобы пытаться обнаружить кислород в древних породах, что было сделано ранее, он заглянул глубоко в молекулярные машины, которые проводят фотосинтез — это сложные ферменты, называемые фотосистемами.

Кислородный и аноксигенный фотосинтез используют фермент под названием Photosystem I. Ядро фермента выглядит по-разному в двух типах фотосинтеза, и, изучив, как давно гены эволюционировали, чтобы быть разными, доктор Кардона мог бы определить, когда начался окислительный фотосинтез.

Он обнаружил, что различия в генах, возможно, имели место более чем 3,4 миллиарда лет назад — задолго до того, как полагали, был произведен кислород на Земле. Это также задолго до того, как появились цианобактерии — микробы, которые считались первыми организмами для производства кислорода. Это означает, что, должно быть, у них были предшественники, такие как ранние бактерии, которые с тех пор эволюционировали для осуществления аноксигенного фотосинтеза.

«Это первый раз, когда кто-то пытался установить время эволюции фотосистем», — сказал доктор Кардона.

«Результат намекает на возможность того, что кислородный фотосинтез, процесс, который произвел весь кислород на Земле, фактически начался на очень ранней стадии эволюционной истории жизни — он помогает решить одно из больших противоречий в биологии сегодня».

Один удивительный вывод заключается в том, что эволюция фотосистем не была линейной.

Известно, что фотосистемы развиваются очень медленно — поскольку цианобактерии появились как минимум 2,4 миллиарда лет назад. Но когда Кардона использовал эту медленную скорость эволюции, чтобы рассчитать время происхождение фотосинтеза, он получил дату, которая была старше самой Земли.

Это означает, что фотосистема, должно быть, развивалась гораздо быстрее в начале — что может быть связано с температурой на Земле в то время.

«Мы все еще не знаем, почему жизнь такая, какая она есть, и как возникла большая часть биологического процесса», — сказал ученый. «Иногда наши наилучшие догадки даже не приближаются к тому, чтобы представить, что же действительно произошло так давно».

Доктор Кардона сообщил о своих результатах в журнале Heliyon.

Больше информации: Tanai Cardona. 2018. Early Archean origin of heterodimeric Photosystem I. Heliyon 4 (3): e00548; doi: 10.1016/j.heliyon.2018.e00548