Странные бактерии указывают на древнее происхождение фотосинтеза

Структуры внутри редких бактерий похожи на те, что обеспечивают фотосинтез у современных растений, что говорит о более древнем происхождении процесса, чем считалось.

Это открытие может означать, что эволюцию фотосинтеза нужно пересмотреть, перевернув традиционные представления.

Фотосинтез — это способность использовать энергию Солнца для производства сахаров посредством химических реакций. Растения, водоросли и некоторые бактерии сегодня осуществляют «оксигенный» фотосинтез, который расщепляет воду (H₂O) на кислород и водород для обеспечения процесса, выделяя кислород в качестве побочного продукта.

Некоторые бактерии вместо этого осуществляют «аноксигенный» фотосинтез — версию, которая использует молекулы, отличные от воды, и не выделяет кислород.

Учёные всегда предполагали, что аноксигенный фотосинтез более «примитивен» и что оксигенный фотосинтез эволюционировал из него. Согласно этой точке зрения, аноксигенный фотосинтез возник около 3,5 миллиардов лет назад, а оксигенный фотосинтез развился на миллиард лет позже.

Однако, проанализировав структуры внутри древнего типа бактерий, исследователи из Imperial College London предположили, что ключевой этап оксигенного фотосинтеза мог быть возможен уже на миллиард лет раньше общепринятой даты.

Новое исследование опубликовано в журнале Trends in Plant Science.

Ведущий автор исследования, доктор Танаи Кардона с кафедры наук о жизни Imperial, заявил: «Мы начинаем видеть, что большая часть устоявшейся истории об эволюции фотосинтеза не подтверждается реальными данными, которые мы получаем о структуре и функционировании ранних бактериальных фотосинтетических систем».

Изученные бактерии Heliobacterium modesticaldum обитают у горячих источников, в почвах и на заболоченных полях, где осуществляют аноксигенный фотосинтез. Они очень отдалённо родственны цианобактериям — основным бактериям, осуществляющим оксигенный фотосинтез сегодня.

Они настолько отдалённо родственны, что их последний «общий предок» с цианобактериями существовал миллиарды лет назад. Это означает, что любые черты, общие для этих двух бактерий, вероятно, также присутствовали у древних бактерий, которые дали начало им обеим.

Проанализировав структуры, которые и H. modesticaldum, и современные цианобактерии используют для осуществления своих разных типов фотосинтеза, доктор Кардона обнаружил поразительное сходство.

Обе структуры содержат сайт, который цианобактерии и растения используют исключительно для расщепления воды — первый решающий шаг в оксигенном фотосинтезе.

Эволюцию цианобактерий обычно отождествляют с первым появлением оксигенного фотосинтеза, но тот факт, что H. modesticaldum содержит похожий сайт, означает, что строительные блоки для оксигенного фотосинтеза, вероятно, гораздо более древние, чем считалось — столь же древние, как и сам фотосинтез, и поэтому могли возникнуть гораздо раньше в истории Земли.

Доктор Кардона также предполагает, что это может означать, что оксигенный фотосинтез не был продуктом миллиарда лет эволюции из аноксигенного, а мог быть признаком, развившимся гораздо раньше, если не первым.

Доктор Кардона сказал: «Этот результат помогает объяснить в фантастических деталях, почему системы, ответственные за фотосинтез и производство кислорода, сегодня таковы, какие они есть, — но для того, чтобы это имело смысл, требуется изменение перспективы в том, как мы рассматриваем эволюцию фотосинтеза.

Согласно традиционному взгляду — что аноксигенный фотосинтез развился первым и был единственным типом около миллиарда лет или более, прежде чем эволюционировал оксигенный фотосинтез, — эти структуры вообще не должны существовать в этом типе бактерий».