Самый старый фотосинтез
В австралийских окаменелостях нашли следы бактерий возрастом более 1,7 млрд лет с мембранными установками для фотосинтеза.
Современные цианобактерии из рода Synechocystis
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.
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 - мембранных 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.
Окаменевшие мембраны тилакоидов внутри ископаемой цианобактерии, выглядящие, как чёрные горизонтальные линии
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 тут 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.
Автор: Кирилл Стасевич
Ссылка на источник
Современные цианобактерии из рода Synechocystis
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.
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 - мембранных 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.
Окаменевшие мембраны тилакоидов внутри ископаемой цианобактерии, выглядящие, как чёрные горизонтальные линии
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 тут 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.
Автор: Кирилл Стасевич
Ссылка на источник