Предтечи революции: Дыхание жизни
Сегодня молекулярный кислород составляет значительную долю земной атмосферы, но так было не всегда. На первых этапах существования планеты он в воздухе отсутствовал. И замечательно: этот активный окислитель смертельно опасен для биохимических компонентов клетки, и с его появлением большинству живых организмов пришлось выработать сложные системы защиты.
При этом появление свободного кислорода в атмосфере, считается, стало результатом их собственной деятельности. Выделяясь древними организмами, он вскоре стал стремительно накапливаться в воздухе. Для живого это было серьезным испытанием, недаром событие получило название «кислородной катастрофы». Началась она более 2 млрд лет назад, а пик пришелся, по последним данным, на 1,2 млрд лет назад (читайте: «Революция отложена»).
Однако новое исследование показывает, что накопление кислорода могло начаться еще на сотни миллионов лет раньше, чем в атмосфере появилось хоть сколько-нибудь значительное его количество. Насыщая различные регионы мирового океана, газ этот создавал своего рода «кислородные оазисы», где развивались микроскопические организмы, учившиеся существовать в присутствии весьма низкого содержания кислорода.
В ходе лабораторных экспериментов группе Роджера Саммонса (Roger Summons) удалось показать, что дрожжи (одинаково свободно чувствующие себя как в присутствии кислорода, так и без него), способны жить по «кислородному сценарию» и производить соответствующие вещества даже при крайне низкой концентрации кислорода в окружающей среде. Это, по мнению авторов, указывает на то, что давние предки дрожжей могли развиваться в сходных условиях, найдя механизмы эффективного использования самых небольших количеств кислорода, растворенных в водах океана. Еще задолго до того, как количество этого газа в атмосфере стало сколько-нибудь заметным.
Проделанная учеными работа может оказаться ключевой в разрешении споров, не утихающих все последнее десятилетие. Дело в том, что около десяти лет назад исследователи нашли древние осадочные породы, содержащие следы стероидов — ключевого компонента клеточных мембран современных организмов. Однако синтез этих молекул требует изрядного количества кислорода — например, для производства одной молекулы стирола придется израсходовать 10 молекул О2. При этом возраст обнаруженных пород относится ко времени на 300 млн лет раньше даты кислородной катастрофы. В результате одни специалисты сочли это указанием на то, что катастрофу следует отнести на более ранний период, другие же, ссылаясь на то, что других ясных свидетельств в пользу этого нет, настаивают на том, что делать столь далеко идущие выводы исходя из одного-единственного факта было бы неверно.
Новая работа позволяет объяснить нестостыковку: она показывает, что кислород, который до кислородной катастрофы присутствовал лишь в крайне малых количествах, уже мог использоваться некоторыми живыми организмами и оставить след в их биохимии — а значит, и в древнейших отложениях.
Чтобы лучше понять логику ученых, расскажем об их опытах немного подробнее. Дело в том, что в присутствии кислорода дрожжи отлично пользуются им, и на основе сахаров синтезируют различные вещества, в том числе и эргостирол. В отсутствие же кислорода они чувствуют себя не хуже, «переключаясь» на иной режим метаболизма — правда, в таких условиях им требуется получать эргостирол извне. В ходе своих экспериментов авторы работы вели поиск минимального содержания кислорода, при которых дрожжи «переключаются» из анаэробного, бескислородного, режима, в аэробный.
Для этого дрожжевые клетки культивировались в питательной среде, содержащей все необходимые вещества, включая эргостирол и глюкозу, молекулы которой были помечены изотопом углерода 13
С. Как и следовало ожидать, не имея доступа к кислороду, дрожжи активно использовали эргостирол, поглощаемый из питательной среды, и не производили его из меченой глюкозы. Затем авторы понемногу, крайне медленно, стали вводить в систему кислород. В какой-то момент «переключение» случилось: дрожжи принялись синтезировать эргостирол самостоятельно, и он содержал изотопы углерода-13.
Все вполне ожидаемо, кроме одного: «переключение» это происходило при удивительно малых количествах доступного кислорода, порядка наномолей — считанных молекул. Это говорит о том, что дрожжи, а возможно и другие эукариотические организмы, способны использовать кислород в очень, очень малых концентрациях. Минимальный предел низок настолько, что вряд ли кто-то мог это предположить.
Исходя из этого, можно представить себе следующую картину далекого прошлого. Фотосинтезирующие организмы миллиарды лет производили кислород, который, будучи высоко активным окислителем, быстро вступал в реакцию с породами поверхности Земли, и чрезвычайно медленно насыщал воды мирового океана. Он окислял внушительные количества железа и сульфидов. Долгие годы его присутствие было незаметным, но уже стали появляться первые организмы, способные использовать его в своем метаболизме. Они замедляли накопление кислорода и отсрочивали наступление кислородной катастрофы, пока, наконец, не наступил момент насыщения. С этих пор его содержание в атмосфере стало стремительно расти — и лишь затем наша планета стала такой, какой мы ее знаем сегодня.
По пресс-релизу MIT News Office