Горячие источники Японии рассказали о древней микробной жизни на Земле
Земля не всегда была той сине-зеленой планетой, какую мы знаем сегодня: уровень кислорода на древней Земле были примерно в миллион раз ниже, чем сейчас. Для древних организмов кислород был токсичен. Как же выглядела жизнь в те времена?
Недавнее исследование, проведенное учеными Института наук о Земле и жизни Токио, искало ответ в богатых железом горячих источниках, которые примерно повторяют химию древних океанов Земли в период одного из самых драматичных периодов планеты: окисления атмосферы.
Результаты, опубликованные в журнале Microbes and Environments, предполагают, что для получения энергии некоторые древние микробные сообщества использовали железо и кислород, выделяемый фотосинтезирующими микробами. Это была своеобразная переходная экосистема, где жизнь превращала отходы новых организмов в новый источник энергии до того, как фотосинтез стал доминирующим.
Великое кислородное событие произошло около 2,3 миллиарда лет назад и ознаменовало появление атмосферного кислорода. Вероятно, этот процесс вызвали зеленые цианобактерии, использующие солнечный свет для расщепления воды и последующего превращения углекислого газа в кислород через фотосинтез.
Результат: нынешняя атмосфера содержит около 78% азота и 21% кислорода, с лишь небольшими следами других газов, таких как метан и углекислый газ, которые, возможно, играли большую роль до повышения уровня кислорода.
«Кислородная катастрофа» кардинально изменила ход жизни на Земле. Высокий уровень кислорода позволяет животным дышать, но он создал сложности для древних форм жизни, которые почти не знали о молекуле O2. Адаптация древних микробов к присутствию кислорода остается большим вопросом.
Для поиска ответов авторы изучили пять горячих источников в Японии с различным составом воды. Эти пять источников (один в Токио, по два в префектурах Акита и Аомори) богаты железом (Fe2+). Такие среды редки в современном кислородном мире, поскольку железо быстро реагирует с кислородом, превращаясь в нерастворимую форму Fe3+.
Но в этих источниках вода все еще содержит высокие уровни Fe2+, низкие уровни кислорода и почти нейтральный pH. Эти условия считаются схожими с древними океанами Земли.
В четырех из пяти горячих источников доминирующими были микрофаэрофильные бактерии, окисляющие железо. Эти организмы процветают в условиях с низким содержанием кислорода и используют Fe2+ как источник энергии, превращая его в Fe3+.
Цианобактерии, известные производством кислорода через фотосинтез, также присутствовали там, но в относительно малых количествах. Единственным исключением был один из горячих источников в Аките, где неожиданно доминировали микробы с метаболизмом, основанным не на железе.
С помощью метагеномного анализа команда собрала более 200 высококачественных образцов и использовала их для детального анализа функций микробов в сообществе.
Те же микробы, которые объединяли метаболизм железа и кислорода, превращали токсичное соединение в источник энергии и помогали поддерживать условия, позволяющие чувствительным к кислороду анаэробам выживать.
В этих сообществах происходили важные биологические процессы, такие как круговорот углерода и азота. Идентифицировав гены, исследователи также обнаружили признаки частичного цикла серы. Учитывая, что в горячих источниках содержится очень мало соединений серы, это открытие стало неожиданным.
Исследователи предполагают, что это может указывать на «скрытый» цикл серы, когда микробы перерабатывали последнюю сложными способами, которые пока до конца не изучены.
Авторы считают, что, подобно этим горячим источникам, ранняя Земля содержала экосистемы, состоящие из разнообразных микробов, включая окислителей железа, анаэробов и цианобактерий, живущих вместе и регулирующих концентрацию кислорода. Открытие углубляет понимание ранней эволюции жизни на Земле и имеют значение для поиска жизни на других планетах.
