Фотосинтез может быть таким же древним, как сама жизнь

Исследователи обнаружили, что у древнейших бактерий были инструменты для выполнения ключевого этапа фотосинтеза, что меняет представления об эволюции жизни на Земле.

Это открытие также меняет ожидания относительно эволюции жизни на других планетах. Считается, что появление кислородного фотосинтеза — ключевой фактор для возникновения сложной жизни. Ранее предполагалось, что на его эволюцию ушло несколько миллиардов лет. Но если древнейшая жизнь уже была к нему способна, то сложная жизнь на других планетах могла возникнуть гораздо раньше.

Команда под руководством учёных из Имперского колледжа Лондона проследила эволюцию ключевых белков фотосинтеза вплоть до возможного происхождения бактериальной жизни на Земле. Результаты опубликованы в свободном доступе в журнале BBA—Bioenergetics.

Ведущий исследователь доктор Танаи Кардона: «Ранее мы показали, что биологическая система производства кислорода, Photosystem II, чрезвычайно стара, но до сих пор не могли разместить её на временной шкале истории жизни. Теперь мы видим, что Photosystem II демонстрирует паттерны эволюции, которые обычно приписывают лишь древнейшим известным ферментам, crucial для самой эволюции жизни».

Раннее производство кислорода

Фотосинтез, преобразующий солнечный свет в энергию, бывает двух форм: производящей кислород и не производящей. Считалось, что кислородная форма эволюционировала позже, особенно с появлением цианобактерий около 2,5 млрд лет назад.

Новое исследование показывает, что ферменты, способные выполнять ключевой процесс кислородного фотосинтеза — расщепление воды на водород и кислород — могли присутствовать у некоторых древнейших бактерий. Древнейшие свидетельства жизни на Земле имеют возраст более 3,4 млрд лет, а некоторые исследования предполагают, что самая ранняя жизнь могла быть старше 4,0 млрд лет.

Подобно эволюции глаза, первая версия кислородного фотосинтеза могла быть очень простой и неэффективной. На Земле бактериям потребовалось более миллиарда лет, чтобы усовершенствовать процесс, и ещё два миллиарда — для выхода растений и животных на сушу. Однако сам факт столь раннего наличия производства кислорода означает, что на других планетах переход к сложной жизни мог занять гораздо меньше времени.

Измерение молекулярных часов

Команда сделала открытие, отследив «молекулярные часы» ключевых белков фотосинтеза, ответственных за расщепление воды. Этот метод оценивает скорость эволюции белков, опираясь на время между известными эволюционными событиями (например, появлением разных групп цианобактерий). Затем рассчитанная скорость экстраполируется в прошлое, чтобы определить, когда белки впервые эволюционировали.

Скорость эволюции этих белков сравнили со скоростью эволюции других ключевых белков в истории жизни, включая те, что участвуют в хранении энергии и трансляции ДНК в РНК. Белки фотосинтеза показали почти идентичные паттерны эволюции с древнейшими ферментами, что указывает на их сходный путь развития.

Первый автор исследования Томас Оливер: «Мы использовали технику Ancestral Sequence Reconstruction, чтобы предсказать последовательности белков предкового фотосинтеза. Эти последовательности показывают, как работал бы предковый Photosystem II. Мы смогли показать, что многие ключевые компоненты, необходимые для производства кислорода в Photosystem II, прослеживаются до самых ранних стадий эволюции этого фермента».

Направленная эволюция

Понимание эволюции этих белков важно не только для поиска жизни на других планетах, но и для разработки стратегий использования фотосинтеза новыми способами в синтетической биологии.

Доктор Кардона: «Теперь, понимая, как эволюционируют белки фотосинтеза, мы можем использовать "направленную эволюцию", чтобы научиться изменять их для получения новой химии. Мы могли бы создавать фотосистемы, способные осуществлять сложные новые "зелёные" химические реакции, полностью powered светом».