Зеленые океаны ранней Земли: новое исследование
Исследование, проведенное Таро Мацуо и его командой из Университета Нагои, предлагает революционный взгляд на раннюю биосферу Земли, пересматривая традиционные представления о цвете океанов и их влиянии на эволюцию жизни. Опубликованное в журнале Nature Ecology & Evolution, это исследование объединяет геохимические, биологические и оптические данные, чтобы доказать, что океаны Земли 2,5–4 миллиарда лет назад были не синими, как сегодня, а зелеными из-за высокого содержания растворенного железа.
В архейском эоне, до насыщения атмосферы кислородом, океаны были богаты двухвалентным железом (Fe(II)), которое поступало в воду через гидротермальные источники. В отсутствие кислорода железо оставалось в растворимой форме, придавая воде характерный зеленый оттенок. Это происходило из-за того, что взвешенные частицы гидроксида железа поглощали красный и синий свет, но пропускали зеленый. В результате океаны отражали именно этот цвет, создавая непривычную для современного наблюдателя картину «изумрудных» вод.
Адаптация цианобактерий к зеленому свету
Ключевым аспектом исследования стало изучение фотосинтетических механизмов цианобактерий — первых организмов, освоивших кислородный фотосинтез. Ученые выяснили, что основной пигмент цианобактерий, хлорофилл a, плохо поглощает зеленый свет, что создавало эволюционное давление. В ответ на это цианобактерии развили фикобилисомы — сложные светособирающие комплексы, содержащие вспомогательные пигменты, такие как фикоэритробилин (PEB). Именно PEB позволял эффективно улавливать зеленый свет и передавать энергию хлорофиллу.
Генетический анализ подтвердил, что ранние цианобактерии активно использовали фикоэритрин — белок, связанный с PEB. Лабораторные эксперименты с модифицированными штаммами показали, что в условиях зеленого света цианобактерии с PEB имели значительное преимущество в росте. Более того, выяснилось, что PEB может функционировать даже без фикоэритрина, напрямую взаимодействуя с другим пигментом — фикоцианином.
Для проверки гипотезы ученые создали компьютерные модели, воспроизводящие световые условия архейских океанов. Моделирование показало, что на глубине 5–20 метров зеленый свет доминировал из-за фильтрации железа. Этот результат согласуется с наблюдениями за современными аналогами — например, водами вокруг острова Иво в Японии, где гидротермальные источники насыщают воду гидроксидом железа, придавая ей зеленоватый оттенок. Измерения на глубине 5,5 метров подтвердили преобладание зеленого спектра, а местные цианобактерии демонстрировали повышенное содержание PEB.
Значение для астробиологии и поиска жизни
Открытие имеет важные последствия для поиска жизни за пределами Земли. Традиционно считалось, что планеты с голубыми океанами — главные кандидаты на обитаемость. Однако новое исследование предполагает, что экзопланеты с зелеными океанами, богатыми железом, также могут быть благоприятны для жизни, особенно для фотосинтезирующих организмов. Более того, такие океаны могут быть более заметны при дистанционном зондировании из-за их высокой отражательной способности в зеленом диапазоне.
Эволюция света и жизни
После Великого окислительного события (2,4–2,0 млрд лет назад) концентрация железа в океанах снизилась, вода стала прозрачнее, а световой спектр сместился в сторону белого. Это привело к изменению фотосинтетических стратегий: наземные растения и часть цианобактерий утратили необходимость в PEB, но в глубинных водах фикобилисомы сохранились. Таким образом, эволюция фотосинтеза отражает глобальные изменения химического состава Земли.
Исследование Таро Мацуо не только переворачивает представления о ранней Земле, но и подчеркивает, как абиотические факторы (например, химия океана) могут определять биологическую эволюцию. Зеленые океаны стали колыбелью для цианобактерий, которые, в свою очередь, изменили планету, подготовив условия для сложной жизни. Эти выводы расширяют границы нашего понимания обитаемости планет и предлагают новые ориентиры для поиска жизни во Вселенной.