Железный щит жизни: как микробы древней Земли укротили первый кислород
Новое исследование, проведенное учеными из Токийского института наук о Земле и жизни (ELSI), предлагает новаторский взгляд на то, как могла функционировать жизнь на Земле около 2,3 миллиарда лет назад, в период, известный как Кислородная катастрофа (Great Oxidation Event, GOE). До этого события Земля была бескислородным миром, где уровень кислорода был ничтожно мал, а для большинства древних организмов он был токсичен. Атмосфера, вероятно, состояла из азота, углекислого газа и метана. Жизнь была представлена исключительно микробами, не нуждавшимися в кислороде.
Ключевой загадкой этого переходного периода является то, как анаэробные (не переносящие кислород) формы жизни взаимодействовали с первыми фотосинтезирующими цианобактериями, которые начали производить кислород как побочный продукт своей жизнедеятельности. Чтобы ответить на этот вопрос, ученые обратились к уникальным природным лабораториям — богатым железом горячим источникам в Японии, чьи условия имитируют химию древних океанов. В этих источниках, расположенных в Токио, Аките и Аомори, вода характеризуется высоким содержанием двухвалентного железа (Fe²⁺), низким уровнем кислорода и почти нейтральным pH. В современной, богатой кислородом среде двухвалентное железо быстро окисляется до трехвалентного (Fe³⁺) и выпадает в осадок, но в этих специфических источниках сохраняются условия, схожие с теми, что были в океанах до и во время GOE.
Основным открытием исследования стало обнаружение в четырех из пяти изученных источников стабильных микробных сообществ, где доминирующую роль играли микроаэрофильные железоокисляющие бактерии. Эти организмы процветают в условиях низкого содержания кислорода и используют двухвалентное железо в качестве источника энергии, окисляя его до трехвалентного. При этом цианобактерии, непосредственно производящие кислород, присутствовали, но в относительно небольших количествах. Это указывает на существование переходной экосистемы, в которой кислород, вырабатываемый цианобактериями, немедленно утилизировался железоокисляющими бактериями.
Проведя метагеномный анализ и собрав более 200 высококачественных микробных геномов, исследователи смогли реконструировать метаболические процессы в сообществе. Они выявили, что симбиоз между разными группами микробов был ключом к стабильности. Железоокисляющие бактерии выполняли критически важную функцию: они потребляли токсичный кислород, поддерживая тем самым низкую его концентрацию в среде. Это, в свою очередь, позволяло выживать анаэробным микроорганизмам, для которых кислород был смертелен. Таким образом, отходы одних организмов (кислород от цианобактерий) становились источником энергии для других (железоокисляющих бактерий), что создавало сбалансированную экосистему.
Еще одним неожиданным открытием стало обнаружение признаков частичного цикла серы, несмотря на то, что в воде источников соединений серы было очень мало. Исследователи предполагают, что это может указывать на сложный, «скрытый» цикл серы, при котором микробы реутилизируют серу внутри сообщества, что еще раз подчеркивает высокую степень метаболической интеграции в этих древних по своему типу экосистемах.
В совокупности эти выводы позволяют по-новому взглянуть на переломный момент в истории Земли. Исследование показывает, что до того как фотосинтез стал доминирующим процессом, экосистемы могли быть устроены по принципу «железо-кислородного» метаболического двигателя. Подобно тому, как в горячих источниках, разнообразные микробы — окислители железа, анаэробы и цианобактерии — существовали в тесной взаимосвязи, регулируя концентрацию кислорода и обеспечивая круговорот ключевых элементов.
Это исследование имеет значение не только для понимания прошлого Земли, но и для астробиологии. Оно расширяет круг потенциально обитаемых сред на других планетах, указывая на то, что жизнь может существовать и процветать в мирах с геохимией, похожей на раннюю Землю, даже при отсутствии свободного кислорода в атмосфере. Анализ современных аналогов, таких как богатые железом горячие источники, предоставляет бесценные данные для реконструкции этапов эволюции жизни и поиска ее следов за пределами нашей планеты.