Найдавніші дані свідчать, що фотосинтез виник щонайменше 1,75 мільярда років тому

Крихітні скам’янілості, які провели майже 2 мільярди років під замком у шматках древньої породи, дають нам найдавніші докази фотосинтезу на Землі.

У формації Макдермотт у пустелі на півночі Австралії були виявлені крихітні структури під назвою тилакоїди, які вважаються скам’янілими ціанобактеріями, що датуються 1,75 мільярда років тому.

Ці структури містяться в клітинах сучасних фотосинтезуючих організмів, які містять пігмент хлорофіл, що використовується для поглинання світла для фотосинтезу.

Це означає, що мікроскам’янілості є найдавнішим прямим доказом фотосинтезу, даючи нам новий мінімальний вік появи ціанобактерій, що містять тилакоїди, і новий інструмент для розуміння ранніх екосистем Землі та того, як виникло життя на нашій планеті.

Зображення мікроскам’янілостей Navifusa majensis. (Demoulin et al., Nature, 2024)

“Наше дослідження надає прямі докази наявності метаболічно активних ціанобактерій, що здійснювали кисневий фотосинтез”, – пише команда під керівництвом палеомікробіолога Катрін Демулен з Льєжського університету.

Отримані результати означають, що детальний аналіз інших скам’янілостей може виявити більше подібних структур, точно визначивши момент, коли фотосинтезуючі структури були поглинуті і запущені в роботу ранніми формами складних водоростевих клітин.

Фотосинтез, який використовує сонячне світло для перетворення води і вуглекислого газу на глюкозу і кисень, може здатися чимось, чим рослини і водорості просто тихо собі займаються, але він є основою для виживання майже всіх живих істот.

Фотосинтезуючі організми не лише формують основу більшості харчових ланцюгів, їх метаболічні процеси наповнюють атмосферу киснем, необхідним для дихання більшості з нас, щоб вижити.

Ми знаємо, що на початку історії Землі в атмосфері та океанах було небагато кисню у вільному стані. Однак різні геохімічні дані свідчать про те, що приблизно 2,4 мільярди років тому рівень кисню раптово різко зріс під час так званого Великого окиснення, або Великої окислювальної події. Невідомо, що стало її причиною, але одна з версій – поява фотосинтезуючих організмів.

Найдавнішим беззаперечним мікроскопічним свідченням існування ціанобактерій є організм під назвою Eoentophysalis belcherensis, який датується віком до 2,018 мільярда років тому. Але скам’янілості часто важко інтерпретувати, а їхні внутрішні структури не завжди збереглися неушкодженими. І не всі види ціанобактерій мають тилакоїди.

Зображення трансмісійної електронної мікроскопії зразків Navifusa majensis з формації Макдермотт. (Demoulin et al., Nature, 2024)

Демулен та її колеги використовували різні методи мікроскопії з високою роздільною здатністю, щоб дослідити зовнішні та внутрішні структури мікроскам’янілостей виду, відомого як Navifusa majensis, який вважається ціанобактерією. У тілах одноклітинних організмів з двох викопних шарів вони виявили тилакоїдні мембрани.

Ці скам’янілості походять з формації Грассі-Бей в Канаді, датованої 1,01 мільярдом років тому; і формації Макдермотта, що простягається аж на 1,75 мільярда років назад. Це збільшує вік скам’янілостей тилакоїдів на колосальні 1,2 мільярди років – і означає, що кисневий фотосинтез, ймовірно, розвинувся ще до цього часу.

Але ми досі не знаємо, чи встиг він розвинутись вчасно, щоб зробити свій внесок у Велике окислення. Лише знахідка та ретельне вивчення ще давніших скам’янілостей може дати нам відповідь на це актуальне питання.

“Відкриття збережених тилакоїдів у N. majensis, про яке ми повідомляємо, надає прямі докази того, що мінімальний вік дивергенції між ціанобактеріями, що містять і не містять тилакоїди, становить близько 1,75 мільярда років тому”, – пишуть дослідники.

“Ми прогнозуємо, що подібні ультраструктурні аналізи добре збережених мікроскопічних скам’янілостей можуть розширити геологічну історію кисневих фотосинтезаторів і ранніх слабо насичених киснем екосистем, в яких розвивалися складні клітини”.