Случайное открытие, сделанное исследователями, может предложить неожиданный ответ на один из фундаментальных вопросов биохимической эволюции: что появилось раньше — производство кислорода при фотосинтезе или его потребление при аэробном метаболизме?
Фотосинтез, осуществляемый водорослями и растениями, использует солнечный свет для преобразования углекислого газа (CO₂) и воды (H₂O) в питательные вещества, необходимые для роста, выделяя кислород (O₂) как побочный продукт. Аэробный метаболизм, характерный для животных, напротив, потребляет кислород для преобразования пищи в энергию, выделяя углекислый газ. Эти два процесса всегда рассматривались как последовательные этапы эволюции жизни на Земле.
В новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ученые сообщают об обнаружении «молекулы-недостающего звена», которая может изменить наше понимание эволюционной последовательности этих процессов. Феликс Эллинг, бывший постдокторант в Департаменте наук о Земле и планетах, а ныне сотрудник Кильского университета в Германии, сделал это открытие случайно, работая в лаборатории молекулярной биогеохимии и органической геохимии профессора Энн Пирсон.
Эллинг исследовал бактерии Nitrospirota, известные своей способностью утилизировать азот, для совершенно другого проекта, когда обнаружил необычную молекулу. Эта молекула, названная «метил-пластохиноном», имела химическую модификацию, делающую её похожей на соединения, используемые растениями для фотосинтеза, хотя была найдена в бактерии, осуществляющей аэробное дыхание.
Хиноны — молекулы, присутствующие во всех формах жизни — ранее считались существующими в двух основных разновидностях: аэробные (требующие кислорода) и анаэробные (не требующие кислорода). Аэробные хиноны, в свою очередь, подразделяются на используемые растениями при фотосинтезе (например, пластохинон) и используемые бактериями и животными для дыхания (например, убихинон). Открытый метил-пластохинон представляет собой третий, ранее неизвестный тип, сочетающий характеристики обеих групп.
Примерно 2,3-2,4 миллиарда лет назад произошло событие, известное как Великое кислородное событие, когда цианобактерии (тип водорослей) начали производить значительное количество кислорода посредством фотосинтеза. Этот приток кислорода сделал возможным аэробный метаболизм на Земле. Традиционно считалось, что фотосинтез должен был появиться первым, поскольку цианобактериям необходимо было произвести кислород, прежде чем организмы смогли бы его использовать.
Однако новая гипотеза, основанная на открытии метил-пластохинона, предполагает, что некоторые бактерии могли уже обладать способностью утилизировать кислород ещё до того, как цианобактерии начали производить его в больших количествах. Как образно выразился Феликс Эллинг: «Курица и яйцо появились одновременно».
Это открытие имеет глубокое биохимическое значение. Реакции с кислородом могут быть разрушительными для клеток, не имеющих метаболических путей для борьбы с вредными побочными продуктами. Наличие системы, уже способной обрабатывать кислород, было критически важным для выживания, когда уровень кислорода повысился. «Так мы научились дышать», — объясняет профессор Энн Пирсон, PVK-профессор искусств и наук и профессор экологических наук Мюррея и Марты Росс. Безопасное использование кислорода проложило путь для диверсификации жизни.
Сегодня хиноны различаются у растений и животных: митохондрии человека используют одну форму (убихинон), а растения и водоросли — другую (пластохинон). Согласно гипотезе, выдвинутой в статье, метил-пластохинон, вероятно, является «первичной или предковой формой», которая предшествовала разделению на два основных типа хинонов и сохранилась более 2 миллиардов лет.
«Эта молекула — настоящая капсула времени», — говорит Эллинг, называя её эволюционным «живым ископаемым», пережившим более 2 миллиардов лет. Это открытие может помочь восстановить картину того, как фотосинтез и аэробный метаболизм развивались параллельно, а не последовательно, как считалось ранее.
Изображение носит иллюстративный характер
Фотосинтез, осуществляемый водорослями и растениями, использует солнечный свет для преобразования углекислого газа (CO₂) и воды (H₂O) в питательные вещества, необходимые для роста, выделяя кислород (O₂) как побочный продукт. Аэробный метаболизм, характерный для животных, напротив, потребляет кислород для преобразования пищи в энергию, выделяя углекислый газ. Эти два процесса всегда рассматривались как последовательные этапы эволюции жизни на Земле.
В новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ученые сообщают об обнаружении «молекулы-недостающего звена», которая может изменить наше понимание эволюционной последовательности этих процессов. Феликс Эллинг, бывший постдокторант в Департаменте наук о Земле и планетах, а ныне сотрудник Кильского университета в Германии, сделал это открытие случайно, работая в лаборатории молекулярной биогеохимии и органической геохимии профессора Энн Пирсон.
Эллинг исследовал бактерии Nitrospirota, известные своей способностью утилизировать азот, для совершенно другого проекта, когда обнаружил необычную молекулу. Эта молекула, названная «метил-пластохиноном», имела химическую модификацию, делающую её похожей на соединения, используемые растениями для фотосинтеза, хотя была найдена в бактерии, осуществляющей аэробное дыхание.
Хиноны — молекулы, присутствующие во всех формах жизни — ранее считались существующими в двух основных разновидностях: аэробные (требующие кислорода) и анаэробные (не требующие кислорода). Аэробные хиноны, в свою очередь, подразделяются на используемые растениями при фотосинтезе (например, пластохинон) и используемые бактериями и животными для дыхания (например, убихинон). Открытый метил-пластохинон представляет собой третий, ранее неизвестный тип, сочетающий характеристики обеих групп.
Примерно 2,3-2,4 миллиарда лет назад произошло событие, известное как Великое кислородное событие, когда цианобактерии (тип водорослей) начали производить значительное количество кислорода посредством фотосинтеза. Этот приток кислорода сделал возможным аэробный метаболизм на Земле. Традиционно считалось, что фотосинтез должен был появиться первым, поскольку цианобактериям необходимо было произвести кислород, прежде чем организмы смогли бы его использовать.
Однако новая гипотеза, основанная на открытии метил-пластохинона, предполагает, что некоторые бактерии могли уже обладать способностью утилизировать кислород ещё до того, как цианобактерии начали производить его в больших количествах. Как образно выразился Феликс Эллинг: «Курица и яйцо появились одновременно».
Это открытие имеет глубокое биохимическое значение. Реакции с кислородом могут быть разрушительными для клеток, не имеющих метаболических путей для борьбы с вредными побочными продуктами. Наличие системы, уже способной обрабатывать кислород, было критически важным для выживания, когда уровень кислорода повысился. «Так мы научились дышать», — объясняет профессор Энн Пирсон, PVK-профессор искусств и наук и профессор экологических наук Мюррея и Марты Росс. Безопасное использование кислорода проложило путь для диверсификации жизни.
Сегодня хиноны различаются у растений и животных: митохондрии человека используют одну форму (убихинон), а растения и водоросли — другую (пластохинон). Согласно гипотезе, выдвинутой в статье, метил-пластохинон, вероятно, является «первичной или предковой формой», которая предшествовала разделению на два основных типа хинонов и сохранилась более 2 миллиардов лет.
«Эта молекула — настоящая капсула времени», — говорит Эллинг, называя её эволюционным «живым ископаемым», пережившим более 2 миллиардов лет. Это открытие может помочь восстановить картину того, как фотосинтез и аэробный метаболизм развивались параллельно, а не последовательно, как считалось ранее.
