Давні гарячі джерела розкривають секрети виживання життя на токсичній ранній Землі
Наш світ сьогодні виглядає синьо-зеленим і населеним різноманітними формами життя, але мільярди років тому Земля була зовсім іншою. Атмосфера майже не містила кисню — його рівень був у мільйон разів нижчим за сучасний. Ліси, тварини та знайомі нам живі організми, що залежать від кисню, просто не існували. Для перших організмів кисень був отрутою.
Щоб зрозуміти, як життя виживало в такому ворожому середовищі, науковці з Earth-Life Science Institute (ELSI), Токіо, Японія, під керівництвом Фатіми Лі-Хау та доцента Шона МакГліна дослідили сучасні гарячі джерела, багаті на залізо. Вода у цих джерелах хімічно нагадує океани ранньої Землі під час однієї з найбільших трансформацій у її історії — появи атмосферного кисню.
Залізо як джерело енергії для перших мікробів
Дослідження показало, що давні мікробні спільноти отримували енергію, поєднуючи залізо з невеликими кількостями кисню, що виробляли фотосинтезуючі мікроби. Це вказує на перехідну екосистему, де життя навчилося використовувати те, що колись було шкідливим, як нове джерело енергії. Такий механізм передував поширенню і домінуванню фотосинтезу.
Приблизно 2,3 мільярда років тому відбулася Велика Киснева Подія (GOE), що змінила атмосферу Землі та зробила можливим розвиток складного життя. Зелені ціанобактерії почали розщеплювати воду і виробляти кисень, що радикально змінило хімічний склад атмосфери. Проте перші організми, що еволюціонували в умовах майже повної відсутності кисню, опинилися перед серйозним випробуванням виживання.
Гарячі джерела Японії як лабораторії для досліджень
Вчені вивчили п’ять гарячих джерел у Японії: у Токіо та по два у префектурах Акита та Аоморі. Вода у цих джерелах містила розчинене залізо (Fe²⁺), мало кисню та нейтральний рівень pH — умови, що нагадують ранньоархаїчні океани.
У чотирьох із п’яти джерел домінували мікроаерофільні бактерії, які окислюють залізо. Вони отримують енергію, перетворюючи розчинене залізо на нерозчинну форму (Fe³⁺), при цьому обмежений кисень не шкодить їхньому життю. Ці бактерії співіснували з фотосинтезуючими ціанобактеріями, що продукували кисень, а також з анаеробами, яким кисень був токсичний.
Метагеноміка та приховані біогеохімічні цикли
За допомогою метагеноміки вчені відновили понад 200 геномів мікробів і виявили, що спільноти, що поєднували залізо та кисень, перетворювали токсичні речовини на джерело енергії та водночас підтримували життя киснечутливих організмів. Ці мікробні громади також забезпечували обіг вуглецю та азоту, а генетичні дані вказували на частковий сірковий цикл, що свідчить про складні приховані процеси у цих екосистемах.
Висновки та значення дослідження
Результати показують, що ранні екосистеми Землі, як і сучасні гарячі джерела, могли підтримувати різноманітні мікробні спільноти. Залізо-окислювальні бактерії, анаероби та ціанобактерії співіснували, впливаючи на локальний рівень кисню і формуючи перші екосистеми.
Дослідження розширює наше розуміння функціонування мікробних екосистем у критичний період історії Землі — перехід від аноксичних океанів до кисневої біосфери. Воно також дає цінні підказки для пошуку життя на інших планетах із хімічними умовами, схожими на ранню Землю.