Древний океан окрасил Землю в зеленый на 2,5 миллиарда лет

Цианобактерии — группа фотосинтезирующих бактерий. Как и растения, они способны превращать солнечную энергию в химическую и выделять кислород как побочный продукт фотосинтеза. Эти организмы считаются одними из древнейших форм жизни на Земле: их следы обнаружены в виде строматолитов (донные отложения, созданные цианобактериями, окаменевшие бактериальные маты древности), которым более 3,5 миллиарда лет, что свидетельствует об их существовании уже на ранних этапах эволюции нашей планеты.

У растений центральный элемент фотосинтеза — хлорофилл — пигмент, который находится в хлоропластах клеток. Он поглощает свет в синих и красных областях спектра и отражает зеленый. Именно отражение зеленого света делает листья растений зелеными.

Хлорофилл есть и у цианобактерий, а у некоторых видов еще и группа дополнительных водорастворимых пигментов — фикобилинов. В состав этой группы входит фикоэритробилин, который поглощает свет в зеленой и желтой областях спектра, с длинами волн примерно от 495 до 570 нанометров.

Команда японских ученых под руководством Таро Мацуо (Taro Matsuo) из Нагойского университета задалась двумя вопросами: зачем цианобактериям нужны дополнительные пигменты (фикоэритробилин), если у них уже есть хлорофилл? Что наличие таких пигментов может говорить о среде, в которой развивались первые фотосинтезирующие организмы? Исследователи провели серию экспериментов и симуляций, чтобы понять, как древний океан, который миллиарды лет назад почти полностью покрывал поверхность Земли, повлиял на эволюцию цианобактерий.

По словам Мацуо, во время архейского эона — один из четырех эонов истории Земли, охватывающий промежуток времени от четырех до 2,5 миллиарда лет назад — океан был насыщен гидроксидом железа (Fe(OH)₃). Это вещество чем-то напоминает ржавчину — рыхлое, коричневато-красное.

Мацуо и его коллеги провели моделирование, чтобы узнать, какое количество гидроксида железа могло быть в то время в океане, и определить область спектра, которая была необходима для фотосинтезирующих организмов. Ученые использовали компьютерные модели, позволяющие «воссоздать» условия, похожие на условия в архее.

Анализ показал, что в архейском океане находилось так много гидроксида железа, что он действовал как гигантский фильтр: поглощал свет в синей области спектра. Вода, в свою очередь, поглощала свет в красной области спектра, как и сейчас. Зеленый свет должен был оставаться «неуязвимым» и мог проникать в глубины. Ученые пришли к выводу, что с большой долей вероятности в глубины проникал зеленый свет в диапазоне длин волн, который сегодня поглощается дополнительными водорастворимыми пигментами цианробактерий — фикобилинами.

Однако моделирование — это только часть работы. Чтобы убедиться в своей правоте, исследователи провели эксперимент. Они попытались вырастить в лаборатории под разным светом несколько видов цианобактерий (с фикоэритробилином и без него). Те цианобактерии, у которых были фикоэритробилин, расли в разы быстрее «обычных» под воздействием зеленого света (в диапазоне длин волн, который, предположительно, проникал в глубины древнего океана). Ранее генетический анализ показал, что пигмент фикоэритробилин присутствовал у общего предка современных цианобактерий. То есть зеленый «навык» — не случайная мутация, а древнее эволюционное изобретение.

Исследователи пошли еще дальше и отправились к японскому вулканическому острову Ио, который представляет собой часть архипелага Кадзан. Там на глубине 5,5 метра горячие источники насыщают воду железом, из-за чего вода вокруг острова имеет зеленый цвет, как в архейском океане.

Оказалось, на этой глубине цианобактерии с дополнительными «‎зелеными пигментами» буквально захватили территорию, а у поверхности, где больше синего света, доминировали другие виды без фикоэритробилина. Иными словами, природа сама повторила лабораторный эксперимент, подтвердив, что жизнь всегда адаптируется под условия среды.

Ученые заключили, что три миллиарда лет назад океан напоминал гигантский «железный суп». Он был насыщен гидроксидом железа, который поглощал синий свет, а вода, как и сейчас, «забирала» красный. В океанские глубины проникала большая часть зеленого света, а некоторая часть отражалась от поверхности. Этот свет сильнее всего повлиял на общий оттенок Земли.

В таких условиях эволюционировали цианобактерии. Они развили дополнительные пигменты, которые улавливали свет в тех диапазонах, где хлорофилл был «слеп». Эти пигменты помогали бактериям выживать в уникальной среде: передавать энергию зеленого света к хлорофиллу, что дало организмам огромное преимущество. Со временем цианобактерии начали выделять кислород. Он вступал в реакцию с гидроксидом железа, в результате образовавшиеся тяжелые частицы опускались на дно.

Зеленый период Земли закончился примерно 600 миллионов лет назад, когда кислород, вырабатываемый бактериями, полностью окислил железо в океане. Следы этого события сохранились в виде полосчатых железных руд — слоев окислов в древних породах.

Со временем вода стала прозрачной, зеленый оттенок исчез, и Земля постепенно «переоделась» в бледно-голубой цвет, который видят из космоса аппараты. Современный цвет Земли — заслуга не только океанов, но и атмосферы. Рэлеевское рассеяние (явление, при котором синий свет сильнее рассеивается в воздухе) окрашивает небо в голубой, смешиваясь с темно-синим цветом океанов.

Но даже сегодня в прибрежных водах, где много органики (листья, водоросли, ил), вода часто кажется зеленоватой. Органика поглощает синий свет, оставляя зеленый цианобактериям, которые до сих пор его используют для фотосинтеза. А еще зеленый оттенок океанов — подсказка для астрономов: если далекая экзопланета кажется зеленой, возможно, там есть свои «цианобактерии», которые окисляют металлы в воде.

Научная работа команды Мацуо опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.