Как кислород-продуцирующие цианобактерии способствовали развитию сложной жизни

«Великое кислородное событие» (GOE), в ходе которого атмосфера Земли обогатилась кислородом — побочным продуктом фотосинтеза, началось ~2,43 млрд лет назад. Его источником, согласно науке, были фотосинтезирующие цианобактерии. Но почему этот переломный момент произошёл так поздно? Судя по образцам горных пород, цианобактерии существовали как минимум за 300 млн лет до GOE. Ахим Херрманн в своей докторской диссертации в TU Kaiserslautern исследует распространение ранних цианобактерий и ищет ответы. Его новая работа опубликована в журнале Nature Communications.

«Существует множество научных теорий, объясняющих, почему распространение цианобактерий, необходимое для GOE, было отсрочено», — говорит Херрманн. — Например, они могли возникнуть в пресной воде, которая тогда, как и сейчас, покрывала лишь часть поверхности Земли. Только адаптировавшись к более солёным водам и заселив открытый океан, они смогли сформировать достаточное количество биомассы для глобального изменения атмосферы». Другая теория предполагает, что богатая железом морская вода могла изначально быть токсичной для фотосинтезирующих бактерий. Железо накапливалось в морской среде в основном в виде высокорастворимых восстановленных ионов Fe(II) в бескислородную «архейскую» эпоху Земли.

Херрманн исследовал гипотезу о токсичности железа. «Мы хотели проверить, ингибирует ли Fe(II) рост и фотосинтетическую активность не только у современных цианобактерий, но и у более примитивных морских штаммов, а именно Pseudanabaena sp. PCC7367 и Synechococcus sp. PCC7336».

Быстро выяснилось, насколько важен экспериментальный подход. В уже существующих системах, где бактерии культивировались в закрытых стеклянных бутылях без кислорода, они почти не росли: «Биологическая активность была очень низкой у обоих штаммов и почти полностью подавлена у Synechococcus», — отмечает Херрманн. Решением стала специально сконструированная анаэробная рабочая станция, в камерах которой можно полностью и автоматически регулировать состав атмосферы. «В этой установке мы культивировали цианобактерии в больших лабораторных бутылях с газопроницаемыми крышками для газообмена. Кислород, который они производили, регулярно удалялся из системы, а уровень CO₂ поддерживался постоянным, соответствующим предполагаемому уровню в архейской атмосфере. Таким образом, мы смогли воссоздать мелководную морскую кислородную «оазис», следы которой находят в архейских породах».

Как и ожидалось, цианобактерии «чувствовали себя комфортнее» в более аутентичной среде. Но что происходило при добавлении железа в возрастающих концентрациях? Бактерии штамма Pseudanabaena стабильно хорошо росли, но медленнее, чем в контрольной системе. В то время как у штамма Synechococcus скорость деления клеток явно снижалась с увеличением концентрации железа. Производимый кислород в первую очередь окислял растворённые ионы Fe(II), вместо того чтобы уходить в атмосферу. При этом скорость производства кислорода у обоих штаммов была значительно выше в анаэробно настроенной экспериментальной среде, чем в контрольной установке с оксигенированной атмосферой, как сегодня. Это говорит о том, что современный уровень атмосферного кислорода может угнетать фотосинтез по сравнению с бескислородной атмосферой прошлого Земли.

Кроме того, образование «зелёной ржавчины» — смеси Fe(II) и окисленного Fe(III) — наблюдалось только в культуральной системе, разработанной Херрманном. Её образование сопровождалось резким снижением биологической активности, вероятно, из-за инкрустации бактериальных клеток оксидами железа. В архее образование такой «зелёной ржавчины» могло существенно способствовать формированию полосчатых железных руд — важнейшего источника железной руды сегодня.

Наконец, Херрманн снова изменил сценарий эксперимента, смоделировав условия приливной зоны. Железо добавлялось ночью, когда концентрация кислорода падала почти до нуля из-за отсутствия фотосинтеза. Результат: рост значительно замедлился у обоих штаммов, но никогда не останавливался полностью. Это указывает, что архейский кислородный оазис также мог переносить приток богатой железом воды ночью. Здесь тоже образовывалась «зелёная ржавчина», но она могла быстро окисляться дальше и не останавливала рост.

В целом, исследование Херрманна заполнило несколько пробелов в истории Земли. Он показал для обоих штаммов цианобактерий, как мог протекать цикл железа в архейском кислородном оазисе, и что для начала GOE, вероятно, было достаточно меньших заселённых площадей из-за более высоких скоростей производства кислорода. Он также разработал концепцию культивирования цианобактерий, которая лучше воспроизводит условия архейской среды.

«Я надеюсь, что моя работа поможет нам лучше понять, как в принципе смогла развиться наша богатая кислородом атмосфера», — говорит Херрманн.