Сегодня на долю кислорода приходится 21% земной атмосферы. Однако в ранней истории планеты он практически отсутствовал в турбулентной смеси первичных газов. Всё изменилось в результате «Великого окисления», имевшего место около 2,3 млрд лет назад: кислород наполнил атмосферу и проложил путь сложным формам жизни.

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) показали, что за миллионы лет назад до этого события кислородные оазисы уже существовали в Мировом океане.

В лабораторных экспериментах Якоб Вальдбауэр, Роджер Саммонс и Диана Ньюман обнаружили, что дрожжи (организм, который может выжить и без кислорода) способны производить ключевые кислород-зависимые соединения даже при небольшом доступе к газу. Открытие заставляет предположить, что ранние предки дрожжей были столь же находчивыми и могли работать с любым количеством O2, циркулировавшим в океане.

Полученные результаты важны для дебатов, разгоревшихся около десяти лет назад, когда геохимикам встретились осадочные породы, содержащие ископаемые стероиды — важнейшие компоненты мембран некоторых клеток. Для создания одной молекулы стерина (например, холестерина) с нуля требуется не менее 10 молекул кислорода, а окаменелости (если датировка верна) существовали за 300 млн лет до кислородной революции. Некоторые интерпретировали находку как самое раннее свидетельство присутствия кислорода на Земле. Однако другие горные породы аналогичного возраста не дали тех же результатов, поэтому многие геологи сомневаются в вышеприведённом выводе.

Г-н Вальдбауэр и его коллеги предположили, что, может быть, кислород и впрямь присутствовал на Земле за 300 млн лет до наполнения атмосферы, только в очень низких концентрациях, которые не могли оставить заметного следа в геологической летописи. Даже на таких низких уровнях его, возможно, было достаточно, чтобы кормить аэробные, производящие стерины организмы.

Для проверки гипотезы и были использованы дрожжи: кислород в сочетании с сахаром нужен им для синтеза эргостерина. Дрожжи могут расти и без кислорода, если есть источник эргостерина. Учёные поставили эксперимент, чтобы определить самую низкую концентрацию кислорода, которая позволяет дрожжам переключаются с анаэробной на аэробную деятельность.

Г-н Вальдбауэр выкормил дрожжевые клетки смесью основных ингредиентов, в том числе эргостерина, а также глюкозой, меченной углеродом-13. Выяснилось, что без кислорода дрожжи с радостью питались стерином и не синтезировали его с нуля. Когда же добавили небольшое количество кислорода, произошло переключение, и дрожжи начали использовать его в сочетании с глюкозой для производства собственных стеринов.

Учёные обнаружили, что дрожжам достаточно исчезающе малых, наномолярных концентраций кислорода. Быть может, многие или все эукариоты способны сделать то же самое.

Исследователи предполагают, что производство и потребление кислорода началось в океанах за сотни миллионов лет до того, как атмосфера увидела первые следы этого газа. Они говорят, что, по всей вероятности, первый кислород, производимый сине-зелёными водорослями в процессе фотосинтеза, не столько просачивался в атмосферу, сколько потреблялся аэробными организмами. Остальное, скорее всего, поглощалось железом и сульфидами, которые извергали, например, подводные вулканы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Подготовлено по материалам Массачусетского технологического института.