В австралийских окаменелостях нашли следы бактерий возрастом более 1,7 млрд лет с мембранными установками для фотосинтеза.

Фотосинтез – это, прежде всего, превращение энергии света в биохимическую энергию. Свет падает на светособирающие комплексы, состоящие из белков и разных пигментов (самый известный из которых – хлорофилл). Светособирающие комплексы сидят в мембране в окружении других белков и белковых комплексов, также участвующих в фотосинтезе. Свет меняет их энергетическое состояние, запуская цепь сложных реакций. Электроны перескакивают от молекулы к молекуле, протоны (то есть ионы водорода) скапливаются на одной стороне мембраны, так что формируется протонный градиент – он приводит в действие фермент, синтезирующий АТФ, главную энергетическую молекулу. В простейших случаях (у некоторых архей) этим всё и ограничивается: в ходе фотосинтеза просто образуется АТФ без каких-то других органических молекул, и никакого кислорода не выделяется.

Современные цианобактерии из рода Synechocystis. (Фото: BASF – We create chemistry / Flickr.com)

В более сложном фотосинтезе, кроме АТФ, образуются вспомогательные молекулы, с помощью которых можно фиксировать углекислый газ, то есть делать из него сложные органические вещества. Тут тоже есть разные варианты, и некоторые бактерии поглощают углекислый газ, не выделяя никакого кислорода – так называемый аноксигенный фотосинтез. Ну, а оксигенный фотосинтез, когда и углекислый газ поглощается, и кислород выделяется, практикуют всем нам известные растения, водоросли, а также многие одноклеточные эукариоты и цианобактерии. Почти у всех у них фотосинтез идёт в тилакоидах – мешочках, в мембранах которых сидят светособирающие комплексы и другие фотосинтетические белки. У растений, водорослей и других фотосинтезирующих эукариот тилакоиды собраны в хлоропласты – ещё более крупные мембранные мешки, в которых, кроме тилакоидов, есть своя ДНК и свой белоксинтезирующий аппарат.

А вот у большинства цианобактерий тилакоиды работают без организующих мешков-хлоропластов. Цианобактерию с хорошо сохранившимися тилакоидами обнаружили в австралийских окаменелостях сотрудники Льежского университета, о чём и сообщили в недавней статье в Nature. Обнаружили её в строматолите – ископаемом остатке цианобактериального мата. Матом называют сложноорганизованную колонию цианобактерий, в которой разные виды с разным типом обмена веществ живут и поддерживают друг друга. Сами по себе строматолиты не такая уж редкость. Но в данном случае, во-первых, в строматолите удалось найти оформленные остатки отдельной бактерии, а во-вторых, в этой бактерии есть продолговатые микроструктуры, которые вряд ли могут быть чем-то иным, кроме как тилакоидами. Возраст находки – 1,73–1,78 млрд лет назад. Значит, уже тогда цианобактерии носили в себе стопки фотосинтезирующих органелл.

Ископаемая цианобактерия (слева) и окаменевшие мембраны тилакоидов внутри неё, выглядящие, как чёрные горизонтальные линии. Фото: C.F. Demoulin, et al. / Nature 2024

Но мы ведь не зря делали такое длинное вступление про фотосинтез. Ископаемая цианобактерия демонстрирует не самый старый фотосинтез вообще, а самый старый оксигенный фотосинтез, связанный с тилакоидами. (Строго говоря, демонстрирует она не сам фотосинтез, а окаменевшие клеточные установки для фотосинтеза.) Даже среди цианобактерий не всё так просто – у них есть особая группа, которая фотосинтезирует с образованием кислорода и фиксацией углекислого газа, но без тилакоидов – фотосинтетический аппарат сидит у этих цианобактерий просто в клеточной мембране, а не в специализированных органеллах. Известны и другие ископаемые цианобактерии с остатками тилакоидов, но их возраст около миллиарда лет. Новая находка сильно сдвигает время возникновения фотосинтеза – впрочем, не столько сдвигает, сколько подтверждает результаты расчётов, указывающие на время эволюционного расхождения тех или иных генов. И речь опять же идёт не о возникновении фотосинтеза вообще, а только о той его разновидности, которая идёт на тилакоидах, связывает СО₂ и даёт кислород.

Вопросы эволюции фотосинтеза и фотосинтезирующих цианобактерий особенно волнуют исследователей в связи с кислородной катастрофой. Кислород в земной атмосфере появился не сразу, точнее, какое-то количество его было, но дышать таким воздухом было нельзя. И в океанах тогда жили организмы, которые вполне обходились без кислорода. Но вот однажды некие цианобактерии научились кислородному фотосинтезу, и жизнь на Земле перестала быть прежней: атмосфера радикально изменилась, и те организмы, которые хорошо чувствовали себя в бескислородной атмосфере, были вынуждены уйти в подполье, уступив «кислородным» формам жизни. Уровень кислорода начал повышаться около 2,4 млрд лет назад, повышался в несколько этапов и всё это тянулось миллионы лет – то есть это не было какое-то мгновенное однократное событие. Насыщение атмосферы кислородом явно зависело от множества факторов, и постепенное совершенствование цианобактериями «фотосинтетических технологий», несомненно, играло свою роль.