Что было первым: дыхание или кислород? Случайное открытие намекает на неожиданный ответ в споре об эволюции

Представьте себе наш мир без кислорода. Трудно, правда? А ведь миллиарды лет назад на Земле господствовали совсем другие правила. Вопрос о том, как именно жизнь «научилась» дышать, долгое время оставался одной из самых интригующих загадок эволюции. Что было раньше: фотосинтез, дающий кислород, или аэробный метаболизм, его потребляющий? Похоже, недавнее случайное открытие проливает свет на эту древнюю дилемму, переворачивая наши представления о заре жизни.

Неожиданный гость из прошлого

Всё началось с рутинной работы. Феликс Эллинг, в то время сотрудник Лаборатории молекулярной биогеохимии и органической геохимии (Гарвардский университет), занимался совсем другим проектом. Он и не подозревал, что в пробирке с азот-фиксирующей бактерией Nitrospirota скрывается ключ к разгадке «кислородного парадокса». В ходе исследования Эллинг обнаружил нечто аномальное: крошечное, но значимое изменение в структуре одной из молекул. Она больше напоминала компонент фотосинтезирующего аппарата растений, чем-то, что можно было бы ожидать от бактерии.

«Мы даже не думали о связи с эволюцией дыхания, когда начинали,» — вспоминает Эллинг, ныне сотрудник Кильского университета. — «Это было совершенно неожиданно».

Молекулярный «привет» из архейской эры

Обнаруженная молекула оказалась метил-пластохиноном — разновидностью хинонов. Хиноны — это своего рода «молекулярные рабочие лошадки», присутствующие во всех живых организмах и участвующие в процессах клеточного метаболизма. Ранее считалось, что существует два основных типа хинонов: те, которые работают в присутствии кислорода (аэробные), и те, которые обходятся без него (анаэробные). Аэробные, в свою очередь, подразделяются на две группы: одни используют растения для фотосинтеза, а другие — животные и бактерии для дыхания.

Но найденный в Nitrospirota метил-пластохинон не вписывался в эту классификацию. Он оказался третьим, ранее неизвестным типом, и, возможно, тем самым недостающим звеном, связывающим фотосинтез и аэробное дыхание. Это открытие — настоящий прорыв, ведь до сих пор считалось, что эти два процесса эволюционировали независимо и последовательно.

Великое окислительное событие: переосмысление

Вспомним о Великом окислительном событии (ВОС). Примерно 2,4 миллиарда лет назад цианобактерии (одноклеточные водоросли) начали активно производить кислород в процессе фотосинтеза. Это кардинально изменило состав атмосферы Земли и сделало возможным развитие аэробного метаболизма — то есть, дыхания в привычном нам понимании.

Традиционно считалось, что раз кислород появился благодаря фотосинтезу, то и сам фотосинтез возник раньше аэробного дыхания. Однако открытие метил-пластохинона заставляет нас взглянуть на эту историю по-новому. Получается, что некоторые бактерии уже обладали способностью утилизировать кислород еще до того, как цианобактерии начали его массово производить!

Одновременное существование «курицы» и «яйца»

Как такое возможно? Похоже, эволюция не всегда идет линейным путем. По словам Эллинга, «курица и яйцо», в данном случае, существовали одновременно. Другими словами, механизмы, позволяющие использовать кислород, начали формироваться еще до его глобального появления в атмосфере.

Профессор Энн Пирсон, руководитель лаборатории, где было сделано открытие, подчеркивает важность этого момента: «Реакции с участием кислорода очень опасны для клеток. Без специальных защитных механизмов они приводят к гибели. Те системы, которые позволяют нам безопасно дышать кислородом, — результат очень сложной и долгой эволюции.»

Живое ископаемое возрастом в миллиарды лет

Фактически, мы получили возможность заглянуть в далекое прошлое, в эпоху, когда жизнь только училась использовать кислород. И следы этой «учебы» можно найти даже в наших собственных клетках! Различия между хинонами в митохондриях человека и хинонами в хлоропластах растений — это отголоски той древней адаптации.

Метил-пластохинон — это настоящая «капсула времени», молекула, которая пережила миллиарды лет и донесла до нас информацию о заре аэробной жизни. Это открытие не просто добавляет новую деталь в сложную мозаику эволюции, но и заставляет нас пересмотреть устоявшиеся представления о том, как зарождалась и развивалась жизнь на нашей планете. И кто знает, какие еще сюрпризы преподнесет нам изучение молекулярных «ископаемых»?