Ученые нашли в японских горячих источниках подсказки о том, как зародилась жизнь до образования современной атмосферы.
Более 2,3 миллиарда лет назад Земля была враждебным местом. Не было ни животных, ни растений, ни кислорода в воздухе. Океаны были тёмными, горячими и богатыми железом. В этой среде жизнь только начинала формироваться. Первые микробы учились выживать, используя те немногие доступные ресурсы. До появления кислорода железо было важнейшим источником энергии. Эта эпоха изменилась навсегда с так называемым Великим окислительным событием, когда первые цианобактерии начали выделять кислород в окружающую среду. Но понимание того, как организмы жили до этой трансформации, остаётся загадкой, которая увлекает науку.
Чтобы исследовать это прошлое, группа исследователей под руководством учёного Фатимы Ли-Хау из Токийского научного института изучила пять горячих источников в Японии. Эти источники, расположенные в Аките, Аомори и Токио, сохраняют очень редкую для современного мира особенность: они содержат двухвалентное железо (Fe⁺) – тот же тип железа, который преобладал в древних океанах планеты. В обычных условиях это железо быстро окисляется при контакте с кислородом, но в этих водах оно остаётся стабильным, поскольку кислород практически отсутствует.
Ученые обнаружили, что эти источники представляют собой природную лабораторию, воспроизводящую условия ранней Земли. Вода в них имеет почти нейтральный pH, низкую солёность и обильное растворённое железо, что позволяет им наблюдать за взаимодействием микробов, которые, казалось бы, пришли из далекого прошлого. Однако каждый источник обладает собственной химией и своим сообществом микроорганизмов, словно каждый рассказывает свою историю о происхождении жизни.
В железистых источниках бактерии, окисляющие железо, и цианобактерии, вырабатывающие кислород, взаимодействуют в важнейших химических циклах, подобных тем, которые обеспечивали раннюю оксигенацию Земли.
Микробы, дышащие железом
В четырёх из пяти исследованных источников наиболее многочисленными микробами были бактерии, называемые микроаэрофильными железоокислителями. Это организмы, живущие в условиях низкого содержания кислорода и получающие энергию путём преобразования двухвалентного железа в трёхвалентное. Эти бактерии «дышат» железом вместо кислорода. Это открытие свидетельствует о том, что до широкого распространения оксигенного фотосинтеза этот тип метаболизма был одной из основных форм жизни на Земле.
Цианобактерии, ответственные за выделение кислорода в атмосферу, также присутствовали, хотя и в меньшем количестве. По мнению исследователей, их роль могла быть важнейшей: они производили небольшое количество кислорода, что позволяло железобактериям процветать, не подвергая окружающую среду воздействию токсичности для форм жизни, чувствительных к этому газу. Таким образом, обе группы сосуществовали, образуя кооперативную и сбалансированную экосистему.
В одном из источников, называемом Ковакуби, исследователи обнаружили нечто еще более удивительное: преобладали бактерии семейства Hydrogenophilaceae, способные использовать водород в качестве источника энергии.
Это говорит о том, что водород, как и железо, был жизненно важным топливом для ранней жизни. Результаты показывают, что метаболическое разнообразие было шире, чем считалось ранее.
Химия древней жизни
В исследовании использовался метагеномный анализ — метод, позволяющий изучить ДНК всех бактерий, присутствующих в образце окружающей среды. С помощью этого метода учёные реконструировали более 200 высококачественных микробных геномов и смогли определить функции, выполняемые этими сообществами.
Весенние микробы воспроизводят основные метаболические процессы древнейших экосистем Земли, включая фиксацию углерода, фиксацию азота и окисление железа.
Также были идентифицированы гены, связанные с восстановлением нитратов до аммония и денитрификацией, что указывает на активность азотного цикла в этих условиях. В некоторых местах исследователи обнаружили свидетельства полной нитрификации – процесса, в ходе которого аммоний превращается в нитрат. Эти данные свидетельствуют о том, что биогеохимические циклы, такие как циклы углерода, азота и железа, уже функционировали комплексно задолго до появления животных и растений.
Любопытной деталью стало обнаружение генов, связанных с серой, несмотря на то, что в воде содержалось очень мало серных соединений. Авторы интерпретируют это как возможный признак «скрытого цикла серы», в котором микробы перерабатывают этот элемент в минимальных, но эффективных количествах, поддерживая химический баланс системы. Этот механизм, до сих пор плохо изученный, мог помочь примитивным организмам выжить в экстремальных условиях.
Экосистемы, которые ожидали кислорода
Исследователи отметили, что, несмотря на различия между источниками, все они имели схожую организацию: сообщества, в которых сосуществовали бактерии, окисляющие железо, микроорганизмы, потребляющие кислород лишь в ограниченной степени, и полностью анаэробные микробы. Это была экосистема, находившаяся в равновесии между жизнью с кислородом и без него. Такой тип организации мог отражать переход, который Земля пережила на рубеже архея и протерозоя, когда атмосфера начала постепенно обогащаться кислородом.
В этом контексте микробы, зависевшие от железа и водорода, представляли собой раннюю форму производства энергии. Вокруг них цианобактерии выделяли небольшое количество кислорода, который постепенно накапливался в окружающей среде.
Со временем это сосуществование изменило химический состав планеты, открыв путь для появления пригодного для дыхания воздуха и эволюции сложных форм жизни. Японские источники показывают, что эти изменения не были резкими, а представляли собой медленный процесс, поддерживаемый разнообразными экосистемами.
По словам Ли-Хау, эти результаты помогают нам понять, как ранние организмы преобразовали бескислородную планету в мир, который мы знаем сегодня. Бактерии, обитающие в современных источниках, являются потомками или эквивалентами тех, которые миллиарды лет назад сделали первые шаги к глобальной оксигенации. В некотором смысле, каждый пузырёк, поднимающийся из этих вод, несёт на себе отпечаток древнейшей истории жизни.
Уроки для жизни за пределами Земли
Эта работа не только проливает свет на наше прошлое, но и даёт подсказки о том, где может существовать жизнь на других планетах. На таких планетах, как Марс или ледяных ландшафтах Юпитера и Сатурна, могут существовать богатые железом и бедные кислородом среды, во многом похожие на изученные источники. Понимание того, как жизнь процветает в этих условиях, помогает нам представить, как она может существовать за пределами Земли. Бактерии, выжившие в японских источниках, по сути, являются живым примером того, как биология может адаптироваться к экстремальным условиям.
Подобные исследования, проводимые в рамках Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токио, демонстрируют ценность объединения таких дисциплин, как геология, биология и химия, для ответа на вопросы о нашем происхождении. Исследователи ищут не окаменелости, а следы микробной активности в настоящем, отражающие то, что происходило миллиарды лет назад. Это способ реконструировать историю жизни, не прибегая к раскопкам прошлого.
Источник: doi: 10.1264/jsme2.ME24067
