Дыхание кислородом бактериям пришлось переизобретать трижды

Ученые из США и Австралии проанализировали геном трех дошедших до нас классов цианобактерий. Оказалось, что их общий предок фотосинтезировать не умел, а способный к этому класс научился всему сам. При этом аэробным дыханием обладают все три, и приобретено оно было, судя по всему, независимо. Работа опубликована в журнале Science.

Один из бесчисленных признаков, по которым биологи делят живое – способ получения органических веществ. Две основные группы – это гетеротрофы и автотрофы. Первые не способны синтезировать органические соединения из неорганических и вынуждены получать их, употребляя в пищу вторых. Автотрофы же прекрасно справляются с задачей, например, сделать из углекислого газа и воды – глюкозу, из-за чего их нередко заслуженно называют основой жизни на Земле. Однако, для реализации своих способностей им требуется энергия. Ее они получают разными способами. Самые первые обитатели Земли предположительно были хемоавтотрофами, то есть получали энергию из окислительно-восстановительных реакций. Они «встраивались» в естественные процессы, значительно ускоряя их, а выделяющуюся энергию запасали для своих нужд. Например, мы писали о существовавших около 2,5 миллиардов лет назад сероокисляющих бактериях.

Второй способ добыть энергию – фотосинтез – возник позднее. В этом случае источником энергии служит солнечный свет, и овладевших им существ относят к фотоавтотрофам, которых делят на оксигенных и аноксигенных, то есть выделяющих и не выделяющих кислород в качестве побочного продукта. Первыми, судя по всему, появились аноксигенные, и на тот момент атмосфера Земли практически не содержала кислород и была восстановительной.

Все начало меняться c появлением оксигенных фотоавтотрофов. Поначалу они не оказывали заметного влияния – выделяемый ими кислород расходовался на окисление атмосферных газов и горных пород, а высокое его содержание достигалось только в пределах так называемых «кислородных оазисов», населенных бактериями. Но вскоре субстрат для окисления закончился и кислород начал насыщать атмосферу, что привело к событиям, известным как «кислородная катастрофа». В результате атмосфера превратилась в окислительную, а ютиться по «оазисам» пришлось уже анаэробам.

Описанные события способствовали развитию аэробного дыхания и сложной многоклеточной жизни, чем кардинально изменили ход эволюции.

Ученые считают, что первыми оксигенными фотосинтетиками были цианобактерии. Исследование 16S рРНК современных цианобактерий позволяет выделить минимум три класса: Oxyphotobacteria, Melainabacteria, и основную ветвь – ML635J-21. При этом для последнего нет данных ни о геноме, ни о метаболизме. Чтобы устранить этот пробел, ученые провели анализ метагеномных данных и собрали три варианта принадлежащих ML635J-21 геномов, попутно предложив сменить название на Sericytochromatia. Кроме того, базы данных обогатились новыми последовательностями, относящимися к Melainabacteria.

То, что ни Sericytochromatia, ни Melainabacteria не обладают необходимыми для фотосинтеза генами, означает неспособность к нему и общего предка всех трех классов. Соответственно, Oxyphotobacteria приобрели эту способность уже после их расхождения с Melainabacteria. При этом, несмотря на способность к фотосинтезу только одного класса, аэробным дыханием обладают все три, но используют для этого чрезвычайно разные наборы белков.

Самый скромный вывод, который можно сделать из полученных данных – такой: общий предок цианобактерий не использовал кислород, а аэробное дыхание все три класса приобрели самостоятельно уже после их расхождения. Кроме того, отсутствие аэробного дыхания у предков цианобактерий означает, что до появления большого количества кислорода в результате фотосинтеза, абиотических его источников на ранней Земле было недостаточно для развития аэробного дыхания. В целом, полученные данные подтверждают гипотезу, постулирующую, что кислородная катастрофа стала результатом появления оксигенного фотосинтеза, а аэробное дыхание появилось после изобретения оксигенного фотосинтеза.

Совсем недавно ученые в некотором смысле повторили путь эволюции, собрав в искусственной клетке фотосинтетический аппарат.

Юрий Солюс