Знахідка MIT: аеробне дихання з’явилось у мезоархеї – на сотні мільйонів років раніше, ніж вважали

Чи могли перші спалахи кисню на Землі миттєво “з’їдатися” самою ж біосферою? Команда з Массачусетського технологічного інституту пропонує саме таке пояснення давньої загадки. Вони показують, що аеробне дихання могло зародитись набагато раніше, ніж кисень закріпився в атмосфері.

Як усе починалося: до появи стійкої атмосфери з киснем

Сьогодні кисень – буденність, але так було не завжди. Першими його виробниками були ціанобактерії, які, за оцінками науковців, з’явилися близько 2,9 мільярда років тому, запускаючи фотосинтез з виділенням кисню. Водночас стійке зростання вмісту кисню в атмосфері настало лише під час Великої кисневої події – орієнтовно 2,33 мільярда років тому. Протягом цього тривалого інтервалу ранні породи могли активно поглинати кисень через геохімічні реакції. Нове дослідження додає ще один важливий елемент: біологія теж могла суттєво “відкачувати” кисень з навколишнього середовища, не даючи йому накопичуватися.

Ключова подія: коли з’явився фермент для дихання киснем

Геобіологи MIT відстежили еволюційне коріння ферменту з групи гем-мідна оксигенредуктаза (heme-copper oxygen reductases) – одного з ключових механізмів, що дозволяє організмам використовувати кисень і відновлювати його до води. Сліди цього ферменту присутні в більшості сучасних аеробних форм життя – від бактерій до людини. Команда ідентифікувала генетичні послідовності ферменту в базах даних з геномами мільйонів організмів, відібрала репрезентативний набір з кількох тисяч видів і спроєктувала їх на “дерево життя” з калібруванням за викопними знахідками. Результат: поява ферменту датована мезоархеєм – періодом приблизно 3,2–2,8 мільярда років тому, тобто задовго до Великої кисневої події.

“Це суттєво змінює історію аеробного дихання”, – зазначає співавторка дослідження Фатіма Гусаїн з EAPS MIT. – “Наше дослідження додає до зростаючих свідчень, що життя могло використовувати кисень набагато раніше, ніж ми думали”.

Реакція наукової спільноти: нове пояснення давньої паузи

Відкриття вписується у багаторічні спроби дослідників MIT уточнити хронологію оксигенації Землі та її ранні етапи. Факт раннього виникнення здатності до використання кисню пояснює, чому в атмосфері кисень не набирався одразу після старту фотосинтезу: локальні спільноти мікроорганізмів поруч із ціанобактеріями могли оперативно споживати невеликі порції О₂. До геохімічного вилучення кисню породами додається біологічний фактор, що міг продовжити перехідний період на сотні мільйонів років. У фокусі обговорення – методологія: поєднання великомасштабного пошуку послідовностей, ретельного відбору даних і філогенетичного датування із “фосильними шпильками” посилює достовірність висновків.

Що вже змінилося: уточнення часової шкали та причинно-наслідкових зв’язків

Опубліковані результати зміщують “поріг” аеробного метаболізму в глибше минуле, пропонуючи нову логіку подій: спочатку – точкове виробництво кисню ціанобактеріями, майже одразу – раннє використання кисню сусідніми мікроорганізмами, а вже потім – довгий шлях до глобальної оксигенації. Це створює узгоджену картину того, як біосфера і геосфера спільно керували балансом О₂.

• Зсунення появи ключового ферменту на мезоархей (3,2–2,8 млрд років тому) – на сотні мільйонів років раніше за стале накопичення кисню близько 2,33 млрд років тому.
• Посилення ролі біології у “відтягуванні” оксигенації: ранні організми з ферментом могли ефективно споживати кисень поблизу джерел його виробництва.
• Методичне підтвердження через поєднання великих геномних вибірок, еволюційного “дерева життя” та калібрування за викопними даними.

Що далі: як відкриття змінить пошук слідів життя

Надалі науковці можуть застосовувати подібні філогенетичні підходи до інших метаболічних систем, щоб деталізувати хронологію ранньої еволюції життя. Це також важливо для астробіології: розуміння того, як біологічне споживання кисню стримувало його атмосферне зростання, допоможе інтерпретувати “слабкі” біосигнатури на екзопланетах. Команда підкреслює, що комплексний погляд на геохімію й біологію дає найточнішу картину минулого. Дослідження підтримано програмою Scialog фонду Research Corporation for Science Advancement – отже, очікуються продовження і поглиблення аналізу.