Ключ к кислородной революции: ученые расшифровали древнейший светособирающий комплекс Земли
Атомный снимок фотосинтетического процесса возрастом 3 миллиарда лет показывает, что жизнь рано справилась с этой задачей.
Международная группа ученых совершила прорыв в понимании эволюции фотосинтеза, расшифровав структуру светособирающего комплекса фотосистемы I (PSI) у цианобактерии Anthocerotibacter panamensis — одного из древнейших представителей этой группы. Это открытие, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, проливает свет на ключевой этап эволюции жизни — переход к кислородному фотосинтезу, который радикально изменил атмосферу Земли и подготовил условия для развития сложных организмов.
Цианобактерия A. panamensis представляет собой уникальную эволюционную линию, отделившуюся от других цианобактерий около 3 миллиардов лет назад. Ее ближайшие известные родственники разошлись с ней примерно 1,4 миллиарда лет назад, что делает этот вид своеобразным «живым ископаемым». Ученые сравнили его с временной капсулой, позволяющей заглянуть в далекое прошлое, поскольку современные цианобактерии и растения обладают значительно более сложными фотосинтетическими системами.
Ключевая особенность A. panamensis — отсутствие тилакоидов, мембранных структур, которые у большинства фотосинтезирующих организмов образуют «стопки», напоминающие слои солнечных панелей. Вместо этого весь фотосинтетический аппарат этой бактерии сосредоточен в одном мембранном слое, что ограничивает ее эффективность и делает ее уязвимой к яркому свету.
Структура фотосистемы I и ее эволюционная стабильность
Исследователи использовали методы криоэлектронной микроскопии, чтобы определить структуру PSI у A. panamensis. Они обнаружили, что, несмотря на миллиарды лет эволюции, архитектура этого комплекса осталась практически неизменной. PSI образует трехмерную структуру, напоминающую трехлистный клевер, и содержит более 300 светопоглощающих пигментов, включая хлорофиллы и каротиноиды.
Этот вывод указывает на то, что уже 3 миллиарда лет назад фотосинтетический аппарат цианобактерий достиг высокой степени сложности. Однако, как отметил автор работы Танай Кардона, происхождение кислородного фотосинтеза, вероятно, еще древнее и восходит к эпохе до появления самих цианобактерий.
Перспективы дальнейших исследований
Открытие структуры PSI у A. panamensis дает ученым возможность точнее реконструировать эволюцию фотосинтеза. Сравнение с другими фотосистемами поможет выявить, какие элементы являются древними, а какие появились позже в результате адаптации к изменяющимся условиям среды.
Кроме того, это исследование имеет значение для синтетической биологии и биоэнергетики. Понимание принципов работы древних фотосинтетических систем может помочь в создании более эффективных искусственных систем преобразования солнечной энергии.
Работа представляет собой важный шаг в разгадке одной из главных эволюционных загадок — возникновения и развития кислородного фотосинтеза. Изучение A. panamensis подтверждает, что ключевые механизмы преобразования света в энергию сформировались на удивление рано и оставались стабильными на протяжении миллиардов лет. Однако поиск истоков фотосинтеза продолжается, и будущие исследования могут потребовать изучения еще более древних микроорганизмов или их предшественников.