Горячие источники в Японии проливают свет на древнюю микробную жизнь на Земле

от

Земля не всегда была сине-зелёным миром, который мы знаем сегодня: уровень кислорода на ранней Земле был примерно в миллион раз ниже, чем сейчас. Тогда не было лесов и животных. Для древних организмов кислород был токсичен. Как выглядела жизнь в то время?

Недавнее исследование под руководством Фатимы Ли-Хау (аспирантки в ELSI на момент исследования) вместе с научным руководителем доцентом Шоном МакГлинном (на момент исследования) из Института наук о Земле (ELSI) при Токийском институте науки в Токио, Япония, отвечает на этот вопрос, изучая богатые железом горячие источники, которые имитируют химический состав древних океанов Земли во время одного из самых драматических изменений: насыщения атмосферы кислородом.

Их выводы, [опубликованные](https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsme2/40/3/40ME24067/article) в журнале Microbes and Environments, позволяют предположить, что ранние микробные сообщества использовали железо вместе с кислородом, выделяемым фотосинтезирующими микробами, для получения энергии. Это раскрывает переходную экосистему, где жизнь превращала отход одного организма в новый источник энергии до того, как фотосинтез стал доминирующим.

Событие Великого насыщения атмосферы кислородом (GOE) произошло около 2,3 миллиарда лет назад и ознаменовало рост содержания кислорода в атмосфере, вероятно, вызванный зелёными цианобактериями, которые использовали солнечный свет для расщепления воды, впоследствии преобразуя углекислый газ в кислород посредством фотосинтеза.

В результате современная атмосфера состоит примерно из 78% азота и 21% кислорода, с лишь следами других газов, таких как метан и углекислый газ, которые, возможно, играли большую роль до насыщения атмосферы кислородом.

Событие GOE фундаментально изменило ход жизни на Земле. Такое высокое содержание кислорода позволяет нам, животным, дышать, но усложняет жизнь древним формам жизни, которые почти не знали молекулы O₂. Понимание того, как эти древние микробы адаптировались к присутствию кислорода, остаётся важным вопросом.

Чтобы ответить на него, команда изучила пять горячих источников в Японии, которые отличаются разнообразным химическим составом воды. Эти пять источников (один в Токио, по два в префектурах Акита и Аомори) естественно богаты двухвалентным железом (Fe²⁺). В современном кислородсодержащем мире они редки, поскольку двухвалентное железо быстро реагирует с кислородом и превращается в нерастворимую форму трёхвалентного железа (Fe³⁺).

Но в этих источниках вода всё ещё содержит высокие уровни двухвалентного железа, низкие уровни кислорода и почти нейтральный pH — условия, которые, как считается, напоминают части древних океанов Земли.

«Эти богатые железом горячие источники предоставляют уникальную природную лабораторию для изучения микробного метаболизма в условиях, напоминающих раннюю Землю, в период перехода от позднего архея к раннему протерозою, отмеченному Великим насыщением атмосферы кислородом. Они помогают нам понять, как могли быть структурированы примитивные микробные экосистемы до появления растений, животных или значительного количества атмосферного кислорода», — говорит Шон МакГлинн, который руководил работой Ли-Хау во время её диссертационного исследования.

В четырёх из пяти горячих источников команда обнаружила, что доминирующими микробами являются микроаэрофильные железоокисляющие бактерии. Эти организмы процветают в условиях низкого содержания кислорода и используют двухвалентное железо в качестве источника энергии, преобразуя его в трёхвалентное железо.

Цианобактерии, известные производством кислорода посредством фотосинтеза, также присутствовали, но в относительно небольшом количестве. Единственным исключением был один из горячих источников в Аките, где метаболизм, не основанный на железе, был неожиданно доминирующим.

Используя метагеномный анализ, команда собрала более 200 высококачественных микробных геномов и использовала их для детального анализа функций микробов в сообществе.

Те же самые микробы, которые сочетали метаболизм железа и кислорода, преобразовывали токсичное соединение в источник энергии и помогали поддерживать условия, позволяющие чувствительным к кислороду анаэробам сохраняться.

Эти сообщества осуществляли важные биологические процессы, такие как круговорот углерода и азота, и исследователи также обнаружили доказательства частичного сульфатного цикла, идентифицировав гены, участвующие в окислении сульфида и ассимиляции сульфата. Учитывая, что в горячих источниках содержалось очень мало соединений серы, это было неожиданным открытием.

Исследователи предполагают, что это может указывать на «криптовый» сульфатный цикл, при котором микробы перерабатывают серу сложными способами, которые ещё до конца не изучены.

«Несмотря на различия в геохимии и микробном составе по участкам, наши результаты показывают, что в присутствии двухвалентного железа и ограниченного кислорода сообщества микроаэрофильных железоокисляющих бактерий, оксигенных фототрофов и анаэробов последовательно сосуществуют и поддерживают удивительно похожие и полные биогеохимические циклы», — говорит Ли-Хау.

Исследование предполагает сдвиг в нашем понимании ранних экосистем, показывая, что микробы могли использовать энергию окисления железа и кислорода, производимого ранними фототрофами.

Исследование предполагает, что, подобно этим горячим источникам, экосистемы ранней Земли состояли из разнообразных микробов, включая железоокисляющие бактерии, анаэробы и цианобактерии, живущие бок о бок и регулирующие концентрацию кислорода.

«Эта статья расширяет наше понимание функций микробных экосистем в критический период в истории Земли — переход от бескислородного, богатого железом океана к насыщенной кислородом биосфере в начале GOE. Понимая современные аналоги окружающей среды, мы получаем детальное представление о метаболических возможностях и составе сообщества, соответствующих условиям ранней Земли», — говорит Ли-Хау.

Вместе эти выводы углубляют наше понимание ранней эволюции жизни на Земле и имеют значение для поиска жизни на других планетах с геохимическими условиями, подобными условиям ранней Земли.

Предоставлено:
[Institute of Science Tokyo](https://phys.org/partners/institute-of-science-tokyo/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте