Мы настолько привыкли к присутствию кислорода на нашей планете Земля, что воспринимаем его как должное.
Однако кислород отсутствовал в атмосфере Земли на протяжении почти половины ее жизни. Когда Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, условия на ней были совершенно иными. В то время на планете была атмосфера, состоящая из углекислого газа, метана и водяного пара, в отличие от современной атмосферы, состоящей в основном из азота и кислорода. Хотя солнечный свет расщепил водяной пар в атмосфере на кислород и водород, кислород быстро вступил в реакцию с метаном и оказался запертым в земной коре, почти не оставив следов в атмосфере. Безмолвная, таинственная сила постоянно высвобождала кислород, пока состав атмосферы не изменился. Этой таинственной силой оказались цианобактерии.
По мнению биохимика Лесли Оргела, который стал пионером исследований о происхождении жизни, самое раннее зарождение жизни на нашей планете произошло около 3,8 миллиарда лет назад. Поскольку в то время на Земле, по прогнозам, отсутствовал кислород, метаболизм живых организмов должен был быть анаэробным, предполагающим использование минералов, присутствующих в океане, для получения энергии. Однако около 2,7 миллиарда лет назад возникла особая группа микроорганизмов, известная как цианобактерии. Филогенетический анализ на основе 16S и 23s рРНК, реконструкция генома и ископаемые свидетельства были использованы для понимания эволюционных характеристик этих ранних живых организмов. Эти микробы обладали удивительной способностью к фотосинтезу и обладали механизмом использования воды в качестве источника топлива путем ее окисления. Побочным продуктом фотосинтеза был кислород.
Как могли крошечные цианобактерии стать предвестниками столь масштабных перемен? Среди всех биохимических изобретений, которые только может придумать жизнь, способность цианобактерий использовать воду в качестве топлива для производства кислорода должна считаться одной из самых гениальных. Исследователи предполагают, что уровень кислорода, выделяемого цианобактериями в морскую воду, постепенно увеличивался с течением времени, и что в течение 200-300 миллионов лет кислород производился быстрее, чем он мог вступить в реакцию с другими элементами или быть поглощенным минералами. Кислород, выделяемый цианобактериями, постоянно накапливался в обширных пространствах океана и насыщал воду кислородом. Постепенно накопленный кислород начал уходить в атмосферу, где вступил в реакцию с метаном. По мере того как все больше кислорода улетучивалось, метан в конце концов был вытеснен, и кислород стал основным компонентом атмосферы.
Это событие, известное как "Великое окислительное событие", произошло примерно 2,4-2,1 миллиарда лет назад.
Великое событие окисления было эпохальным моментом в эволюционной шкале времени и имело ряд серьезных последствий не только для климата Земли (косвенно), но и для адаптации и эволюции живых организмов. Исследователи выдвинули гипотезу о влиянии великого окислительного события на климат Земли, кропотливо оценивая геохимические и изотопные сигнатуры молекул в ранней атмосфере Земли, используя масс-моделирование и проводя исследования с участием чувствительных к окислению изотопов транзитных металлов.
Эти исследования показали, что химический состав земной атмосферы резко изменился, когда уровень кислорода вырос и заменил метан (метан присутствует и сегодня, но в очень малых количествах). Кроме того, существует гипотеза, что накопление кислорода в атмосфере привело к одному из самых ранних ледниковых периодов на Земле. Метан является парниковым газом, поскольку он задерживает тепло солнечного света и нагревает планету. Когда метан был вытеснен кислородом, глобальная температура понизилась настолько, что образовались ледяные панцири, простиравшиеся от полюсов до тропиков.
Кислород также был ответственен за формирование озонового слоя в атмосфере. Ультрафиолетовое излучение солнца расщепляло молекулы кислорода (O2) на 2 атома кислорода, которые затем вступали в реакцию с другой молекулой кислорода, образуя озон (O3). Озон действует как естественный солнцезащитный фильтр, отсеивая вредное ультрафиолетовое излучение от попадания на Землю.
Поскольку 2,7 миллиарда лет назад, когда развивались цианобактерии, жизнь была полностью анаэробной, считается, что кислород стал своеобразным ядом и уничтожил большую часть анаэробной жизни. Для исследователей оказалось сложной задачей определить конкретные виды, которые исчезли, из-за отсутствия конкретных ископаемых свидетельств и трудностей в оценке потери видов. Однако условия созрели для следующего большого шага в эволюции: аэробного метаболизма.
Жизнь нашла способ выжить в ядовитой кислородной среде, используя богатый потенциал кислорода в процессе дыхания. Поскольку кислород обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, он выступал в качестве идеального терминального акцептора электронов для получения энергии после расщепления питательных веществ. Вскоре кислород стал незаменим для метаболической деятельности. Организмы также выработали стратегии по детоксикации реактивных форм кислорода, образующихся в результате аэробного метаболизма. Хотя секвенирование и филогенетические анализы позволяют предположить эволюцию ферментов, детоксицирующих реактивные формы кислорода, еще до появления аэробных микробов, Великое событие насыщения кислородом послужило катализатором для направленной эволюции таких ферментов, как супероксиддисмутаза и каталаза. Организмы, которые не могли достаточно хорошо адаптироваться к кислороду, оставались в анаэробной среде.
Таким образом, выделение кислорода цианобактериями привело к изменению состава атмосферы Земли, развитию аэробного метаболизма и, в конечном счете, к эволюции многоклеточных организмов. Кислород - это основная молекула, которая делает Землю такой, какая она есть сегодня, гораздо более гостеприимной и красивой, чем ранняя Земля. И, конечно, не будет преувеличением сказать, что своим существованием в нынешнем виде мы обязаны цианобактериям.
