День, когда фотосинтез изменил мир

Обнаружены возможные свидетельства деятельности цианобактерий непосредственно перед кислородной катастрофой. Миллиарды лет назад маленькая сине-зелёная водоросль расщепила молекулу воды и выпустила яд, результатом действия которого стали смерть и разрушения в огромных масштабах. Речь о фотосинтезе, кислороде и гибели анаэробных жителей Земли.

Впервые геологи обнаружили свидетельства важнейшего эволюционного этапа, непосредственно предшествовавшего расщеплению воды цианобактериями. Это уникальный «снимок» момента перед тем, как мир приобрёл современный облик: с появлением фотосинтеза атмосфера наполнилась кислородом, и тем самым была проложена дорога к нынешнему разнообразию форм жизни. Это самое большое изменение в истории биосферы.

Фото Michael Hunter.

Фотосинтез как метод производства энергии организмом возможен при наличии света и источника электронов. В нашем мире таким источником выступает вода, а кислород становится побочным продуктом реакции. Фотосинтез появился около 3,4 млрд лет назад, но нет никаких признаков образования кислорода в те далёкие времена. Скорее всего, древние организмы вместо воды пользовались сероводородом. Судя по окисленным минералам, фотосинтез в том виде, в котором мы знаем его сегодня, возник примерно 2,4 млрд лет назад.

Как же это произошло? Для ответа на этот вопрос Вудворд Фишер из Калифорнийского технологического института (США) и его коллеги изучили южноафриканские породы, сформировавшиеся незадолго до знаменательного рубежа. Анализ показал, что, несмотря на образование пород в бескислородных условиях, весь марганец находится там в окисленной форме.

В отсутствие атмосферного кислорода марганец нуждался в каком-то катализаторе для окисления. Учёные считают, что некий фотосинтезирующий организм пользовался марганцем в качестве источника электронов. Остававшиеся от этих реакций нестабильные ионы марганца реагировали с водой и образовывали оксиды.

Комментаторы приветствуют гипотезу, ибо она согласуется с предсказаниями эволюционной теории. Окисление марганца по-прежнему играет важную роль в фотосинтезе. В фотосинтезирующих структурах современных растений и водорослей расположены богатые марганцем кристаллы, которые становятся источником электронов. Для восполнения дефицита кристаллы отбирают электроны у проходящих мимо молекул воды. Именно этот «грабёж среди бела дня» расщепляет последние и производит тот кислород, которым мы дышим.

У этого сложного процесса, скорее всего, очень простые корни. В 2007 году Джон Аллен из Колледжа королевы Марии Лондонского университета (Великобритания) и Вильям Мартин из Дюссельдорфского университета (ФРГ) предложили следующий сценарий: по их мнению, современный фотосинтез родился, когда ранняя цианобактерия случайно оказалась в водной среде, богатой марганцем, и быстро адаптировалась к новому источнику электронов.

Позже, поскольку марганец — сравнительно редкий ресурс, запасы которого не бесконечны, цианобактерии выработали другую стратегию. Они включили марганец непосредственно в свои фотосинтезирующие структуры и стали пользоваться последними как аккумуляторами: как только электроны заканчивались, они брали их из другого, более обильного источника, то есть воды.

Поэтому то, что нашла группа г-на Фишера, почти наверняка является остатком деятельности примитивных цианобактерий.

Результаты исследования были представлены на конференции Американского геофизического союза.

Подготовлено по материалам NewScientist.