Содержание
Как кислородная катастрофа привела к появлению жизни на Земле
Недавно ученым удалось отыскать фактор, который, судя по всему, вызвал значительный эволюционный скачок миллиарды лет назад. «Кислородная революция» изменила химический состав поверхности планеты и подготовила ее к появлению более сложных форм жизни.
Василий Макаров
В ранних океанах и даже в атмосфере молодой Земли не было свободного кислорода, хотя за счет фотосинтеза цианобактерии и продуцировали его как побочный продукт метаболизма. Свободный кислород не вступает во взаимодействие с другими распространенными на планете элементами, такими как азот или углерод, а вот человеку он жизненно необходим. Ученые подсчитали, что небольшие «карманы» свободного кислорода начали появляться на Земле примерно три миллиарда лет назад, а около 2,4 миллиардов лет назад уровень кислорода в атмосфере резко увеличился: за 200 миллионов лет кислорода стало больше в 10 000 раз! Это событие исследователи окрестили Кислородной катастрофой (Great Oxidation Event, букв.
Великое окисление) и именно оно полностью изменило характер поверхностных химических реакций Земли.
Кислородная революция: преобразившаяся Земля
Геолог из Университета Британской Колумбии Мэттис Смит (Matthijs Smit) и его коллега, профессор Клаус Мезгер (Klaus Mezger) из Университета Берна, посвятили новую работу исследованию этого феномена. Зная, что Кислородная катастрофа также трансформировала и породы, из которых состоят континенты, ученые начали изучать результаты геохимического анализа вулканической активности по всему миру, что в конечном итоге позволило им отобрать 48 000 образцов, возраст которых исчисляется миллиардами лет.
В своем пресс-релизе Смит отмечает, что с того момента, как в океане начал появляться свободный кислород, в составе континентов произошли ошеломляющие изменения. Горные породы на территории современной Исландии и Фарерских островов по составу примерно похожи на те, что были на молодой Земле до Кислородной катастрофы: они богаты магнием, а вот содержание кремнезема в них довольно низкое.
Породы прошлого содержали минеральный оливин, который инициировал кислородные химические реакции при контакте с водой. По мере того, как континентальная кора развивалась и увеличивалась в размерах, оливин практически исчез, а с ним прекратились и реакции. Кислород начал накапливаться в океанах, а когда вода насытилась им, то газ стал уходить и в атмосферу.
Смит уверен, что именно это и стало отправной точкой для развития жизненных форм такими, какими мы их знаем сегодня. После насыщения кислородом Земля стала не только более пригодной для жизни в целом, но и куда лучше подходящей для развития сложных организмов. Причина изменений континентальной структуры пока остается неизвестной, но ученые отмечают, что тектоника плит началась примерно в этот период, а потому между этими событиями может быть прямая связь.
Значение открытия
Речь не идет об эволюции и абиогенезе — вопросы изначального зарождения жизни на Земле все еще остаются открытыми.
Однако кислород — важнейший элемент, обеспечивший существование белковой жизни. Зная, как он изменил Землю, ученые смогут применить тот же принцип в исследовании экзопланет и в будущем выбрать для человечества идеальную планету для заселения: к примеру, уже сейчас астрономы подозревают, что две планеты в системе TRAPPIST-1 покрыты огромными океанами. Зная, как кислород влияет на формирование континентов, можно будет значительно сузить круг поисков и целенаправленно искать максимально подходящий нам новый мир.
Кислородная катастрофа на замедляющейся Земле
Древние микробы создали кислородную атмосферу только после того, как земной день стал длиннее.
Кислород в земной атмосфере появился не сразу, точнее, какое-то количество его было, но дышать таким воздухом было нельзя. И в океанах тогда жили организмы, которые вполне обходились без кислорода. Тогдашние микробы были способны к фотосинтезу – то есть они умели синтезировать органические молекулы с помощью энергии света – но то был бескислородный фотосинтез: кислорода эти микробы не выделяли.
Колонии цианобактерий. (Фото: Specious Reasons / Flickr.com)
Открыть в полном размере
‹
›
Но вот однажды некие цианобактерии научились кислородному фотосинтезу, и жизнь на Земле уже никогда не вернулась к прежней: атмосфера радикально изменилась, и те организмы, которые хорошо чувствовали себя в бескислородной атмосфере, были вынуждены уйти в подполье, уступив «кислородным» формам жизни. Произошло это около 2,3 млрд лет назад. С другой стороны, уровень кислорода в атмосфере вырос не так уж быстро. Первые цианобактерии, способные к кислородному фотосинтезу, появились в морях и океанах около 3,5 млрд лет назад. И должно было пройти ещё около миллиарда лет, чтобы в горных породах появились следы кислорода, указывающие на то, что в атмосфере его стало достаточно много.
Почему кислород накапливался так долго? Возможно, он накапливался бы ещё дольше, если бы не случилось чего-то, что помогло цианобактериям изменить атмосферу.
Сотрудники Института морской микробиологии Общества Макса Планка вместе с коллегами из Мичиганского университета полагают, что это «что-то» – замедление вращения Земли вокруг своей оси.
На самом деле известно, что сутки на Земле не всегда были одинаковы, и когда-то давным-давно молодая Земля крутилась вокруг своей оси намного быстрее, чем сейчас. Так, 4,5 млрд лет назад сутки длились всего 6 часов. Около 2,4 млрд лет из-за влияния Луны вращение Земли замедлилось, и сутки растянулись до 21 часа. Затем гравитационное взаимодействие Луны и Земли стабилизировалось, и в течение миллиарда лет сутки оставались постоянными. Но 700 млн лет назад Луна снова повлияла на Землю, и та замедлилась ещё немного – и сутки выросли до сегодняшних 24 часов.
Для фотосинтеза, как мы понимаем, нужен свет. Ещё в 2016 году было высказано предположение, что скачки кислорода в земной атмосфере соответствуют замедлениям Земли и увеличению светового дня. Действительно, первый раз кислорода стало больше как раз около 2,4 млрд лет назад – то была кислородная катастрофа.
Но потом уровень кислорода увеличивался ещё пару раз, и эти увеличения по времени происходили примерно после того, как Земля начинала медленнее вращаться.
Сообщество цианобактерий (бактериальный мат) на дне озера Гурон. (Фото: Phil Hartmeyer / NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary)
В статье в Nature Geoscience описаны эксперименты с современными цианобактериями, которые подтверждают связь кислородной катастрофы с увеличением земных суток. Цианобактерий для эксперимента взяли в озере Гурон: они живут здесь в таких местах, где, с одной стороны, достаточно света для фотосинтеза, а с другой стороны, в воде очень мало кислорода и много оксида серы, что отчасти напоминает дно доисторического океана. То есть цианобактерии из Гурона можно до какой-то степени считать похожими на тех, которые миллиарды лет назад начинали насыщать кислородом земную атмосферу. Сам по себе эксперимент был достаточно прост: цианобактерий перенесли в лабораторию, где им давали разное количество света, имитируя более короткие и более длинные сутки – и с более длинными «сутками» цианобактерии давали больше кислорода.
Правда, дело в том, что кислород нужен и самим цианобактериям, для их собственного метаболизма, для дыхания. Но по новым расчётам, добавочные дневные часы, появляющиеся при замедлении Земли, позволяли цианобактериям наработать избыток кислорода – избыток, который самим цианобактериям не был нужен и который уходил из бактериальных сообществ (или бактериальных матов) в окружающую воду, а из неё – в воздух.
Исследователи масштабировали лабораторные результаты на планету целиком. Как менялось содержание кислорода в атмосфере, известно по геологическим отложениям, и оказалось, что лабораторное повышение уровня кислорода соответствует его историческому накоплению: кислорода в атмосфере становилось больше одновременно с увеличением светового дня, и уровень его стабилизировался тоже вместе со световым днём.
Первые цианобактерии с кислородным фотосинтезом не могли поделиться кислородом с атмосферой: день был короток, и весь кислород, который они успевали насинтезировать, они тратили на собственные нужды.
Но когда Земля замедлилась в первый раз и день сильно увеличился, в цианобактериальных матах появился лишний кислород для атмосферы.
Авторы работы рассматривали только те цианобактерии, которые сидят на морском дне и образуют плотные сложноустроенные колонии (те самые бактериальные маты). Другие исследователи полагают, что свою роль в создании кислородной атмосферы могли сыграть и свободноплавающие фотосинтетики.
С другой стороны, накоплению кислорода могли мешать вулканы, выбрасывающие огромное количество минералов, химически связывающих кислород. Эти и другие факторы следует учесть в итоговой модели, но вряд ли они кардинально изменят саму модель: видимо, древние микробы сумели насытить нашу атмосферу кислородом и впрямь только после того, как земной день стал длиннее.
Первое массовое вымирание на Земле.
Цветение цианобактерий в озере Атитлан в Гватемале создало обширную мертвую зону в плодородном озере, показывая, что миллиарды лет спустя эти бактерии все еще могут вызывать горе.
Фотография NASA Earth Observatory/Jesse Allen, на основе данных NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS и американской/японской научной группы ASTER
Позвольте мне рассказать вам о катастрофе. Я не использую это слово легкомысленно: это событие было монументальным, апокалипсисом буквально глобального масштаба и одной из самых смертоносных катастроф в истории Земли.
Это началось примерно 2,5 миллиарда лет назад (хотя мнения расходятся). Тогда Земля была совсем другой. Не было ни листовых растений, ни животных, ни насекомых. Хотя на суше могла существовать какая-то бактериальная жизнь, именно океаны кишели ею, и даже там жизнь была намного проще, чем сегодня. Большинство бактерий, процветавших на Земле, были анаэробами, буквально усваивающими пищу без доступа кислорода.
Но тут появился выскочка, и все изменилось. Эта новая жизнь пришла в виде цианобактерий, иногда называемых сине-зелеными водорослями.
Цианобактерии являются фотосинтезирующими. Они преобразуют солнечный свет в энергию и производят кислород в качестве побочного продукта. Тогда в атмосфере Земли не было свободного кислорода, как сегодня. Он был заперт в молекулах воды или связан с железом в минералах.
Цианобактерии изменили ситуацию. Но не сначала: какое-то время, пока они производили свободный кислород в качестве отходов, железо связывалось с ним, и окружающая среда могла не отставать от его производства.
Однако в какой-то момент, когда цианобактерии процветали, минералы и другие поглотители стали насыщенными. Они больше не могли поглощать производимый кислород. Он накапливался в воде, в воздухе. Для других бактерий, живущих в океане — помните, анаэробных бактерий — кислород был ядовит. Цианобактерии буквально дышали ядом.
Началось вымирание, массовое вымирание, убившее бесчисленное количество видов бактерий. Это было Великое Оксигенационное Событие. Но было еще хуже.
Современные цианобактерии, увеличение в 2400 раз. Далекий предок этого растения изменил всю планету.
Фото Йозефа Райшига из Википедии
До этого времени в атмосфере не было реактивной молекулы.
Но по мере увеличения содержания кислорода часть его соединяется с метаном, образуя углекислый газ. Метан является гораздо более эффективным парниковым газом, чем CO 2 , и этот метан согревал планету. Когда уровень упал, Земля остыла. Это вызвало массовое оледенение, глобальный ледниковый период, который захватил планету в свои тиски.
Все стало настолько плохо, что сами цианобактерии оказались под угрозой. Их собственная численность сократилась вместе с почти всей другой жизнью на Земле. Последовавшее за этим массовое вымирание было огромным.
Но было исключение: некоторые организмы могли использовать этот кислород в своих собственных метаболических процессах. Объединение кислорода с другими молекулами может высвободить много энергии, и эта энергия полезна.
Это позволило этим микроскопическим растениям быстрее расти, быстрее размножаться, жить быстрее.
Анаэробные виды вымерли, уступив место растениям, сжигающим кислород, которые процветали в этой новой среде. Конечно, анаэробы не исчезли с Земли, но они были побеждены в средах с низким содержанием кислорода, таких как дно океана. Они больше не были доминирующей формой жизни на Земле.
Возможно, это было первое из массовых вымираний, с которыми столкнется жизнь на нашей планете, и его последствия отражаются на протяжении веков (и, конечно, в этой истории довольно много подробностей). По сей день наша атмосфера богата кислородом, и большая часть многоклеточной жизни на Земле произошла от выскочек, дышащих кислородом, а не от анаэробов.
Интересная история, вам не кажется? Господствующая форма жизни на Земле, распространившаяся до самых дальних уголков земного шара, блаженно и беспечно выкачивающая огромное количество загрязнений, изменяющая окружающую среду в планетарном масштабе, решая свою судьбу. Они не смогли бы остановиться, даже если бы знали, что делают, даже если бы их предупредили задолго до того, какие эффекты они создавали.
Если это поучительная история, если есть какая-то мораль, которую вы можете извлечь из нее, вы можете извлечь ее для себя. Если вы это сделаете, возможно, вы сможете действовать в соответствии с этим. Можно надеяться, что в этом климате всегда возможны перемены.
Изменение климата
Глобальное потепление
Великое событие окисления: как цианобактерии изменили жизнь
Иллюстрация цианобактерий, Prochlorococcus spp.
Источник: Дерек Тан/flickr.com.
Мы настолько привыкли к присутствию кислорода на нашей планете Земля, что воспринимаем его как должное. Однако кислород отсутствовал в земной атмосфере почти половину ее жизни. Когда Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, условия на ней были совершенно другими. В то время Земля имела восстановительную атмосферу, состоящую из углекислого газа, метана и водяного пара, в отличие от современной атмосферы, состоящей в основном из азота и кислорода. Хотя солнечный свет расщепил водяной пар в атмосфере на кислород и водород, кислород быстро прореагировал с метаном и заперся в земной коре, почти не оставив следов в атмосфере. Безмолвная таинственная сила работала над постоянным выделением кислорода, пока не изменился сам состав атмосферы. Эта загадочная сущность оказалась микробом: цианобактерией.
Enter Cyanobacteria
По словам известного биохимика Лесли Оргела, который первым исследовал происхождение жизни, самое раннее зарождение жизни на нашей планете произошло около 3,8 миллиарда лет назад.
Поскольку предполагалось, что в то время на Земле отсутствовал кислород, обмен веществ в живых организмах был бы анаэробным, предполагающим использование минералов, присутствующих в океане, для выработки энергии. Однако около 2,7 миллиарда лет назад возникла особая группа микробов, известная как цианобактерии. Филогенетический анализ, основанный на 16S и 23s рРНК, реконструкциях генома и свидетельствах окаменелостей, использовался для понимания эволюционных характеристик этих ранних живых организмов. Эти микробы обладали замечательной способностью к фотосинтезу (то есть они могли генерировать энергию из солнечного света). Цианобактерии обладали механизмами для использования воды в качестве источника топлива путем ее окисления. Что еще более важно, побочным продуктом фотосинтеза оказался кислород.
Строматолиты представляют собой крупные слоистые структуры, образованные матами цианобактерий. Источник: Джеймс Сент-Джон/flickr.com.
Как крошечные цианобактерии могли быть предвестниками столь масштабных изменений? Среди всех биохимических изобретений, которые могла придумать жизнь, способность цианобактерий использовать воду в качестве топлива для производства кислорода должна считаться одной из самых гениальных.
Исследователи предполагают, что уровень кислорода, выделяемого цианобактериями в морскую воду, со временем постепенно увеличивался, и что в течение 200–300 миллионов лет кислород производился быстрее, чем он мог реагировать с другими элементами или поглощаться минералами. Кислород, выделяемый цианобактериями, неуклонно накапливался на обширных участках океана и насыщал воду кислородом. Постепенно накопленный кислород стал уходить в атмосферу, где вступал в реакцию с метаном. По мере утечки кислорода метан в конечном итоге был вытеснен, и кислород стал основным компонентом атмосферы. Это событие, известное как «Великое событие окисления», произошло где-то между 2,4–2,1 миллиарда лет назад.
Изменение химического состава Земли
Великое событие окисления стало эпохальным моментом на линии эволюции и имело несколько серьезных последствий не только для климата Земли (косвенно), но также для адаптации и эволюции живых организмов. Исследователи выдвинули гипотезу о влиянии великого события окисления на климат Земли, тщательно оценивая геохимические и изотопные характеристики молекул в ранней атмосфере Земли, используя массовое моделирование и проводя исследования с участием чувствительных к окислительно-восстановительному потенциалу изотопов переходных металлов.
Эти исследования показывают, что химический состав земной атмосферы резко изменился по мере повышения уровня кислорода и замены метана (метан присутствует и сегодня, но в очень незначительных количествах). Кроме того, предполагается, что накопление кислорода в атмосфере привело к одному из самых ранних ледниковых периодов на Земле. Метан является парниковым газом, так как он улавливает тепло солнечного света и нагревает планету. Когда метан был вытеснен кислородом, глобальные температуры понизились настолько, что образовались ледяные щиты, которые простирались от полюсов до тропиков.
Кислород также был ответственен за формирование озонового слоя в атмосфере. УФ-излучение солнца расщепляет молекулы кислорода (O 2 ) на 2 атома кислорода, которые затем реагируют с другой молекулой кислорода с образованием озона (O 3 ). Озон действует как естественный солнцезащитный фильтр, предотвращая попадание вредного ультрафиолетового излучения на землю.
Великое событие окисления и появление аэробного метаболизма
Поскольку 2,7 миллиарда лет назад, когда появились цианобактерии, жизнь была полностью анаэробной, считается, что кислород действовал как яд и уничтожил большую часть анаэробной жизни, что привело к вымиранию.
Исследователям оказалось сложной задачей оценить конкретные исчезнувшие линии из-за отсутствия конкретных ископаемых свидетельств и сложности оценки утраты видов. Однако созрели условия для следующего большого шага в эволюции: аэробного метаболизма.
Жизнь нашла способ выжить в ядовитой кислородной среде, используя богатый потенциал кислорода для дыхания. Поскольку кислород имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, он действовал как идеальный конечный акцептор электронов для выработки энергии после распада питательных веществ. Кислород вскоре стал незаменимым для метаболической деятельности. Организмы также разработали стратегии детоксикации реактивных окислительных соединений, образующихся в результате аэробного метаболизма. Хотя секвенирование и филогенетический анализ оценивают эволюцию детоксицирующих АФК ферментов еще до появления аэробных микробов, Великое событие окисления послужило катализатором для формирования направленной эволюции ферментов, таких как супероксиддисмутаза и каталаза.