Кислородный парадокс: как древние микробы выжили в ядовитой среде и породили жизнь

Сегодня мы воспринимаем кислород как основу жизни. Но миллиарды лет назад ситуация была прямо противоположной: для древних микробов эта молекула была ядом. Как же первые организмы сумели выжить в период Великого кислородного события и адаптироваться к новой среде? Ответ на этот вопрос частично дают японские горячие источники, богатые железом и бедные кислородом.

Исследование, проведённое аспиранткой Фатимой Ли-Хау и её научным руководителем Шоном Макглином из Института наук о Земле и жизни (ELSI, Токио), показало, что такие источники являются естественными "машинами времени". Они имитируют условия древних океанов и позволяют наблюдать за микробными экосистемами, похожими на те, что существовали более 2 миллиардов лет назад.

Великий перелом: кислород вместо метана

Около 2,3 млрд лет назад произошло Великое кислородное событие (ВОС). Цианобактерии начали активно выделять кислород в атмосферу в процессе фотосинтеза. В результате уровень O₂ вырос, а содержание метана и углекислого газа снизилось. Это стало революцией: на Земле возникли условия для будущего появления растений и животных.

Но для древних микробов кислород был губителен. Возник вопрос: как они приспособились?

Горячие источники как модель древних океанов

Учёные изучили пять источников — один в Токио, два в Аките и два в Аомори. Их вода богата двухвалентным железом (Fe²⁺) и бедна кислородом, а pH близок к нейтральному. В таких условиях железо не успевает окисляться и выпадает в осадок, как это происходит в современных кислородных водах.

Оказалось, что микробные сообщества этих источников удивительно напоминают возможные экосистемы ранней Земли.

Как это работало: шаг за шагом

1. Цианобактерии выделяли кислород в процессе фотосинтеза.
2. Железоокисляющие бактерии использовали O₂ и Fe²⁺ как источник энергии.
3. Образуемое трёхвалентное железо (Fe³⁺) изменяло состав воды.
4. Анаэробные микробы продолжали существовать рядом, пользуясь стабильной средой.
5. Экосистема перерабатывала углерод, азот и даже серу, создавая устойчивый баланс.

А что если подобные системы есть на других планетах?

Если жизнь может существовать в условиях с низким кислородом и высоким содержанием железа, это увеличивает шансы на её существование на Марсе или на спутниках Юпитера и Сатурна. Там тоже есть минералы железа и потенциальные гидротермальные источники.

FAQ

Что такое Великое кислородное событие?
Это резкий рост уровня кислорода в атмосфере Земли около 2,3 млрд лет назад.

Почему горячие источники подходят для исследований?
Они содержат железо и мало кислорода — как древние океаны.

Какая польза от этого для науки?
Понимание ранней эволюции жизни и поиск аналогичных систем на других планетах.

Мифы и правда

• Миф: жизнь не могла существовать при низком кислороде.
  Правда: именно так жизнь и начиналась.
• Миф: железо не играло важной роли в эволюции.
  Правда: оно было главным источником энергии до "кислородной эры".
• Миф: все микробы — простые организмы.
  Правда: они создавали сложные циклы веществ и экосистемы.

3 интересных факта

1. Сегодня цианобактерии по-прежнему участвуют в производстве кислорода — они отвечают примерно за половину его содержания в атмосфере.
2. "Скрытый" цикл серы, обнаруженный в исследовании, указывает на неизвестные механизмы переработки веществ.
3. Подобные горячие источники в Японии — редкость: большинство современных водоёмов слишком богаты кислородом.

Исторический контекст

• 3,5 млрд лет назад: первые микробные колонии.
• 2,3 млрд лет назад: Великое кислородное событие, резкая смена условий.
• Современность: исследования японских источников помогают заглянуть в то время и лучше понять эволюцию жизни.

Уточнения

Кислородная катастрофа (кислородная революция, также англ. Great Oxidation Event, дословно — "Великое окисление") — глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя в период сидерий около 2,45 млрд лет назад. Результатом кислородной катастрофы стало появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы.