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

Случайная находка в пробирке с бактерией перевернула устоявшиеся представления о том, как жизнь на Земле «научилась» дышать кислородом. Исследователи обнаружили молекулу, которая, возможно, была «тренировочным манекеном» для древних организмов задолго до того, как атмосфера планеты наполнилась кислородом. Это открытие ставит под сомнение классическую теорию о том, что фотосинтез предшествовал аэробному дыханию.

Случайная находка: метил-пластохинон как недостающее звено

Всё началось с рутинной работы в Гарвардском университете. Феликс Эллинг, изучая азотфиксирующую бактерию Nitrospirota, наткнулся на аномалию. В клетке микроорганизма обнаружилась молекула, по структуре напоминающая компонент фотосинтетического аппарата растений. Это был метил-пластохинон — третий, ранее неизвестный тип хинонов.

Хиноны — это «молекулярные рабочие лошадки» клеточного метаболизма. Ранее наука знала два их типа: аэробные (работающие в присутствии кислорода) и анаэробные (обходящиеся без него). Найденный метил-пластохинон не вписался ни в одну из категорий. Он стал тем самым недостающим звеном, которое, по мнению ученых, связывает фотосинтез и аэробное дыхание в единый эволюционный процесс, а не разделяет их во времени.

Переосмысление Великого окислительного события

Принято считать, что около 2,4 миллиарда лет назад цианобактерии в ходе фотосинтеза начали массово вырабатывать кислород. Это событие, известное как Великое окислительное событие (ВОС), кардинально изменило атмосферу и сделало возможным развитие аэробного метаболизма. Логика подсказывала: раз кислород появился благодаря фотосинтезу, то и сам фотосинтез возник раньше дыхания.

Открытие метил-пластохинона в Nitrospirota ломает эту логику. Оказывается, некоторые бактерии уже обладали биохимическим «инструментарием» для утилизации кислорода ещё до того, как цианобактерии начали его массово производить. «Курица и яйцо, — комментирует Эллинг, — в данном случае существовали одновременно». Механизмы безопасного использования кислорода начали формироваться до его глобального появления в атмосфере.

Профессор Энн Пирсон, руководитель лаборатории, где было сделано открытие, подчеркивает опасность этого процесса: «Реакции с участием кислорода смертельно опасны для клеток. Без защитных механизмов они ведут к гибели. Системы, позволяющие нам безопасно дышать, — результат сложнейшей эволюции».

Метил-пластохинон — это молекулярная «капсула времени», донесшая до нас информацию о заре аэробной жизни. Различия между хинонами в митохондриях человека и хлоропластах растений — это отголоски той древней адаптации, когда жизнь только училась использовать кислород.