Как растения производят кислород? Спросите у цианобактерий
Способность производить кислород в процессе фотосинтеза — эволюционировала всего один раз, примерно 2,3 миллиарда лет назад, у определенных типов цианобактерий. Это изменившее планету биологическое изобретение никогда не было воспроизведено заново. Согласно теории эндосимбиоза, все «зеленые» кислородпродуцирующие организмы (растения и водоросли) просто включили цианобактерии в свои клетки в качестве органелл в ходе эволюции.
«Кислородный фотосинтез был эволюционной сингулярностью», — говорит Вудворд Фишер, профессор геобиологии Caltech. «Цианобактерии изобрели его, а затем в конечном итоге стали хлоропластами водорослей. Растения — это просто группа водорослей, вышедших на сушу».
Однако, несмотря на их глобальную роль, о цианобактериях известно относительно мало. Еще пару десятилетий назад таксономисты называли их «сине-зелеными водорослями», хотя позже выяснилось, что это вовсе не водоросли, а совершенно другой тип организмов.
Новое исследование и эволюционное древо
В статье, опубликованной в журнале Science 30 марта, Фишер и его коллеги из Caltech и Университета Квинсленда (Австралия) наконец детализировали семейное древо цианобактерий. Они добавили геномы 41 некультивируемого микроорганизма, что помогло определить точную точку в эволюции цианобактерий, в которой возник кислородный фотосинтез.
Эти 41 вид относятся к цианобактериям, но ни один из них не несет генов фотосинтеза и, следовательно, не производит органическое вещество, как водоросли и растения. Вместо этого они его потребляют.
Ключевое открытие: единственные изобретатели
Исследователи обнаружили, что единственная ветвь цианобактерий — названная Oxyphobacteria — вероятно, была первой и единственной группой, развившей кислородный фотосинтез. Их ближайшие родственники, Melainabacteria, обитают в кишечнике животных (включая человека) и не производят кислород. Следующая наиболее близкая группа, описанная в статье как Sericytochromatia, также не осуществляет кислородный фотосинтез.
«Это подтверждает, что Oxyphobacteria действительно были единственными, кто когда-либо изобрел этот формирующий планету химический процесс», — говорит Фишер.
Новые 41 вид относятся как к Melainabacteria, так и к Sericytochromatia, причем последняя группа до этой статьи не была описана.
Методология: революция в секвенировании
Эти открытия стали возможны благодаря новой технологии, позволяющей секвенировать геном организма без необходимости сначала изолировать его в лаборатории и культивировать в больших количествах, как это требовалось раньше.
«Теперь у нас есть способы оценки микробного разнообразия, не зависящие от культивирования», — говорит Рошель М. Соо, соавтор статьи. «Мы можем взять пробу ДНК из любой среды, секвенировать ее и восстановить геномы микробов, живущих в этой среде».
Значение и будущие планы
Расшифровка эволюционной загадки фотосинтеза может пролить свет на множество вопросов — от устойчивых источников энергии до потенциала существования жизни на других планетах.
«Цианобактерии — инженеры планетарного масштаба, способные расщеплять воду. Они изобрели самую сложную химию на лице планеты», — отмечает Фишер.
Далее команда планирует больше узнать об экологии и физиологии новых бактерий, изучая их в лаборатории. «Мы лишь поверхностно коснулись этой темы», — заключает Фишер.
Исследование озаглавлено «О происхождении кислородного фотосинтеза и аэробного дыхания у цианобактерий».