Цианобактерии помогли раскрыть секреты древней Земли

Ученые выяснили, что кислород-продуцирующие бактерии появились на миллиард лет раньше Великого кислородного события, произошедшего примерно 2400 миллионов лет назад.

Цианобактерии (сине-зеленые водоросли), ответственные за насыщение атмосферы Земли кислородом, диверсифицировались от своих родственников, чтобы справиться с ростом концентрации этого газа.

Чтобы понять, как кислород формировал раннюю жизнь, ученые Бристольского университета исследовали, когда эволюционировали цианобактерии и когда они начали использовать антиоксиданты — ферменты супероксиддисмутазы (SODs) — для управления активными формами кислорода.

Они создали «молекулярные часы», используя геохимические записи, окаменелости цианобактерий и генетическую информацию, чтобы построить временную шкалу событий.

Около 2500 миллионов лет назад молодая Земля была неузнаваема: не существовало озонового слоя, а в атмосфере не было кислорода. Вместо этого планету доминировали микробы. Цианобактерии — единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу (процессу, также используемому растениями для преобразования CO₂ в кислород с помощью солнечного света). Сегодня цианобактерии широко распространены в океане, но тогда они в основном были ограничены пресной водой и сушей.

Кислород высокореактивен и токсичен. Цианобактерии используют SODs для защиты от его эффектов. Эти ферменты имеют разное эволюционное происхождение и используют разные следовые металлы.

Автор исследования доктор Патрисия Санчес-Баракальдо заявила: «Мы изучили эволюционную историю четырех из этих антиоксидантных ферментов: NiSOD, CuZnSOD, а также SOD, использующих Fe и Mn. Такие SODs встречаются во всем — от животных до растений и бактерий, где они управляют активными формами кислорода, преобразуя супероксидные свободные радикалы в перекись водорода».

Аспирант Джоанн Боден добавил: «Мы обнаружили, что цианобактерии приобретали свои гены SOD от других бактерий несколько раз на протяжении истории. В результате разные штаммы использовали разные антиоксидантные ферменты в зависимости от своих обстоятельств. Например, цианобактерии, ведущие планктонный образ жизни в океане, часто используют NiSOD. В то время как большинство цианобактерий, независимо от среды обитания, используют Mn- или Fe-SODs».

«Эволюционная траектория другого SOD, использующего медь и цинк вместо никеля, совпала с траекторией более древних, предковых цианобактерий, которые диверсифицировались по крайней мере 2700 миллионов лет назад. Это говорит о том, что кислород-продуцирующие бактерии были оснащены механизмами управления активными формами кислорода до того, как глобальная атмосфера была насыщена кислородом».

Эта геномная запись, опубликованная в Nature Communications, содержит жизненно важную информацию о древних средах обитания и доказывает существование жизни на суше и в океане в то время.

Доктор Санчес-Баракальдо отметила: «Цианобактерии на раннем этапе своей эволюции выяснили, как защитить себя от побочных эффектов кислорода. Наш анализ металлоферментов, работающих с активными формами кислорода, показывает, что одни только морские геохимические записи могут не предсказывать закономерности использования металлов живыми организмами в других средах, таких как пресноводные и наземные местообитания».

Исследователи теперь планируют изучить, когда эволюционировали другие антиоксиданты.