Горячие источники Японии раскрывают тайны древней микробной жизни на Земле

Ранняя Земля была не похожа на современную: уровень кислорода был примерно в миллион раз ниже. Кислород был токсичен для древних организмов. Как же выглядела жизнь в ту эпоху?

Исследование под руководством Фатимы Ли-Хау и её научного руководителя Шона Макглинна из Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токийском технологическом институте даёт ответ, изучая богатые железом горячие источники, химический состав которых напоминает древние океаны Земли в период одного из самых драматических изменений — оксигенации атмосферы.

Результаты, опубликованные в журнале Microbes and Environments, показывают, что ранние микробные сообщества использовали железо вместе с кислородом, выделяемым фотосинтезирующими микробами, для получения энергии. Это раскрывает переходную экосистему, где жизнь превращала отходы одних организмов в новый источник энергии до того, как фотосинтез стал доминировать.

Великое кислородное событие (GOE) и его последствия

GOE произошло около 2,3 миллиарда лет назад и ознаменовало подъём атмосферного кислорода, вероятно, вызванный цианобактериями. Это событие коренным образом изменило жизнь на Земле. Высокое содержание кислорода позволяет дышать животным, но усложнило жизнь древним формам, не знакомым с молекулой O₂.

Исследование современных аналогов

Чтобы понять, как древние микробы адаптировались к присутствию кислорода, команда изучила пять богатых двухвалентным железом (Fe²⁺) горячих источников в Японии (в Токио, Аките и Аомори). Эти источники редки в современном богатом кислородом мире, так как Fe²⁺ быстро окисляется до нерастворимой трёхвалентной формы (Fe³⁺). Однако в этих источниках вода по-прежнему содержит высокие уровни Fe²⁺, низкие уровни кислорода и почти нейтральный pH — условия, напоминающие части древних океанов Земли.

"Эти источники предоставляют уникальную естественную лабораторию для изучения микробного метаболизма в условиях, похожих на раннюю Землю", — говорит Шон Макглинн.

Ключевые находки

• В четырёх из пяти источников доминирующими микробами оказались микроаэрофильные железоокисляющие бактерии. Эти организмы процветают в условиях низкого содержания кислорода и используют Fe²⁺ в качестве источника энергии.
• Цианобактерии, производящие кислород, также присутствовали, но в относительно небольших количествах.
• С помощью метагеномного анализа было собрано более 200 высококачественных микробных геномов.
• Микробы, сочетающие метаболизм железа и кислорода, превращали токсичное соединение в источник энергии и помогали поддерживать условия для существования чувствительных к кислороду анаэробов.
• Сообщества осуществляли ключевые процессы, такие как циклы углерода и азота. Также были обнаружены свидетельства частичного цикла серы (гены, участвующие в окислении сульфида и ассимиляции сульфата), что стало неожиданностью, учитывая низкое содержание соединений серы в источниках. Исследователи предполагают существование "криптического" цикла серы.

Значение исследования

"Наши результаты показывают, что в присутствии Fe²⁺ и ограниченного кислорода сообщества микроаэрофильных железоокислителей, оксигенных фотографов и анаэробов последовательно сосуществуют и поддерживают удивительно похожие и полные биогеохимические циклы", — говорит Фатима Ли-Хау.

Исследование предполагает, что, подобно этим источникам, экосистемы ранней Земли состояли из разнообразных микробов, включая железоокисляющие бактерии, анаэробы и цианобактерии, которые жили бок о бок и регулировали концентрацию кислорода.

"Эта работа расширяет наше понимание функции микробных экосистем в ключевой период истории Земли — переход от бескислородного, богатого железом океана к оксигенированной биосфере", — отмечает Ли-Хау.

Эти открытия углубляют понимание ранней эволюции жизни на Земле и имеют значение для поиска жизни на других планетах с геохимическими условиями, похожими на условия ранней Земли.