Кислородное дыхание возникло задолго до атмосферы

Сегодня кислород составляет основу атмосферы Земли, но его путь к господству был долгим и непростым. Новое исследование показывает, что живые организмы начали использовать кислород задолго до того, как он стал заметной частью воздуха, изменив привычные представления о ранней истории жизни на планете.

Мир до кислорода

Современная Земля кажется немыслимой без кислорода. Он необходим для дыхания, горения и сложных форм жизни. Однако большую часть своей ранней истории планета была практически лишена свободного кислорода. Учёные считают, что устойчивое присутствие этого газа в атмосфере установилось лишь около 2,3 миллиарда лет назад во время Великого кислородного события.

До этого момента Земля была миром анаэробных организмов, существовавших без участия кислорода. Тем удивительнее выглядят новые данные, указывающие на то, что некоторые формы жизни освоили кислородное дыхание задолго до его накопления в атмосфере.

Неожиданное открытие

Группа геобиологов из Массачусетского технологического института пришла к выводу, что аэробное дыхание могло появиться на сотни миллионов лет раньше, чем предполагалось. Исследователи изучили происхождение ключевого фермента, необходимого для использования кислорода в процессе дыхания.

Анализ показал, что этот фермент возник ещё в мезоархее — геологическом периоде, длившемся примерно от 3,2 до 2,8 миллиарда лет назад. Это означает, что живые организмы могли использовать кислород задолго до того, как он стал постоянной частью атмосферы.

Кислород без атмосферы

Возникает логичный вопрос: если кислород производился, почему он не накапливался в воздухе? Известно, что первыми источниками кислорода стали цианобактерии, освоившие фотосинтез около 2,9 миллиарда лет назад. Они выделяли кислород как побочный продукт, но атмосфера ещё долго оставалась бедной этим газом.

Ранее считалось, что кислород связывался горными породами и океанами. Новое исследование дополняет эту картину: часть кислорода могла активно потребляться другими микроорганизмами, которые уже умели его использовать.

Первые «дыхатели»

Учёные сосредоточились на ферментах, известных как гем-медные кислородные редуктазы. Эти молекулы играют ключевую роль в аэробном дыхании, помогая превращать кислород в воду с высвобождением энергии.

Сравнив генетические последовательности этих ферментов у тысяч современных организмов, исследователи восстановили их эволюционную историю. Оказалось, что подобные ферменты появились почти сразу после того, как цианобактерии начали вырабатывать кислород.

Организмы, жившие рядом с источниками кислорода, могли быстро адаптироваться и использовать его в своих метаболических процессах, не позволяя газу накапливаться в атмосфере.

Почему кислород задержался

Если ранние формы жизни действительно активно потребляли кислород, это объясняет, почему атмосфера оставалась анаэробной так долго. Кислород попросту не успевал накапливаться: его связывали минералы, океаны и живые организмы.

Лишь спустя сотни миллионов лет баланс сместился. Источники кислорода превзошли его поглощение, и атмосфера начала постепенно меняться, открывая путь к появлению сложной жизни.

В отдельной статье на LifeGlobe вы также можете прочитать про темный кислород в глубинах океана.

Новый взгляд на эволюцию

Это открытие меняет представление о ранней биосфере Земли. Оказывается, жизнь была куда более изобретательной, чем считалось ранее, и умела использовать даже крошечные количества кислорода задолго до глобальных изменений планеты.

История кислорода — это не резкий скачок, а длительный и сложный процесс, в котором геология и биология переплетались на протяжении миллиардов лет.

Некоторые современные микроорганизмы до сих пор способны переключаться между кислородным и бескислородным дыханием, что считается эволюционным наследием эпохи, когда кислород на Земле был редкостью.