Японские горячие источники дают возможность взглянуть на то, какими были ранние океаны Земли.
Горячие источники в Японии. Источник: Fatima Li-Hau, ELSI
Новые данные о древних микробах
Недавно полученные данные свидетельствуют о том, что ранние микробы, жившие на Земле около 2,3 миллиарда лет назад, использовали в качестве основного источника энергии не солнечный свет, а железо и следы кислорода.
Команда из Научно-исследовательского института Земли и жизни при Токийском институте науки изучила богатые железом горячие источники по всей Японии, химический состав которых сходен с древними океанами Земли.
Результаты исследования помогают учёным понять, как могла эволюционировать жизнь на Земле, а также могут помочь в поиске жизни на других планетах с низким содержанием кислорода в атмосфере.
Атмосфера Земли в древности
В настоящее время атмосфера Земли состоит примерно из 21% кислорода, но так было не всегда. В ранние годы существования планеты уровень кислорода в атмосфере был примерно в миллион раз ниже, чем сегодня.
Однако около 2,3 миллиарда лет назад в атмосфере произошёл внезапный рост содержания кислорода, вероятно, из-за того, что цианобактерии преобразовывали углекислый газ в кислород посредством фотосинтеза.
Это событие, известное как Великое окисление (GOE), полностью изменило эволюцию жизни на Земле, поскольку кислород стал ключевым компонентом для таких животных, как люди.
Однако древним бактериям, существовавшим до насыщения атмосферы кислородом, пришлось адаптироваться к новым условиям. Как именно произошла эта адаптация, для учёных остаётся загадкой.
Исследование горячих источников в Японии
Чтобы приблизиться к ответу на этот вопрос, исследовательская группа изучила пять горячих источников в Японии, которые от природы богаты железом и бедны кислородом, как и самые ранние океаны.
«Эти богатые железом горячие источники представляют собой уникальную природную лабораторию для изучения микробного метаболизма в условиях, аналогичных ранним условиям на Земле во время перехода от позднего архея к раннему протерозою, отмеченному Великим окислением», — говорит руководитель исследования Шон МакГлинн.
«Они помогают нам понять, как могли быть устроены примитивные микробные экосистемы до появления растений, животных или значительного количества атмосферного кислорода».
Исследователи обнаружили, что в четырёх из пяти горячих источников преобладают микроаэрофильные железоокисляющие бактерии. Они используют двухвалентное железо (Fe²⁺) в качестве основного источника энергии, преобразуя его в трёхвалентное железо (Fe³⁺). Команда обнаружила, что эти организмы процветают в условиях низкого содержания кислорода.
Кислородпроизводящие цианобактерии присутствовали лишь в очень небольшом количестве. Полный анализ результатов опубликован в журнале Microbes and Environments.
Анализ микробных геномов
Затем команда проанализировала более 200 микробных геномов и показала, что микробы взаимодействуют как экосистема для выполнения основных биологических процессов, таких как круговорот углерода и азота.
«Несмотря на различия в геохимии и микробном составе между участками, наши результаты показывают, что в присутствии двухвалентного железа и ограниченного количества кислорода сообщества микроаэрофильных железоокисляющих бактерий, оксигенных фототрофов и анаэробов последовательно сосуществуют и поддерживают удивительно похожие и полные биогеохимические циклы», — говорит Фатима Ли-Хау, руководитель исследования.
Исследователи были удивлены, обнаружив гены, участвующие в окислении серы, что означает, что у бактерий даже есть частичный серный цикл. Они надеются, что эти результаты могут иметь значение для поиска жизни на планетах с геохимическими условиями, аналогичными древним условиям на Земле.
«Эта статья расширяет наше понимание функций микробных экосистем в критический период в истории Земли — переход от бескислородного, богатого железом океана к оксигенированной биосфере в начале GOE», — говорит Ли-Хау.
«Понимая современные аналогичные среды, мы получаем детальное представление о метаболических возможностях и составе сообществ, соответствующих условиям ранней Земли».