Японские исследователи попытались математически и химически смоделировать, как «Кислородная катастрофа» — спровоцированный цианобактериями рост концентрации кислорода в атмосфере на рубеже архея и протерозоя — повлияла на химический состав океанов древней Земли. По их версии, из-за насыщения гидроксидом железа океаны на некоторое время стали зелеными. Именно поэтому цианобактерии в то время массово приобрели пигмент, улавливающий зеленый свет: никакой другой практически не проникал под воду.
По меткому выражению Карла Сагана, Земля с большого расстояния представляется «бледно-голубой точкой». Мы настолько привыкли к синему, как к цвету Земли, что, услышав про «голубую планету» (или «синюю планету»), мы сразу вспомним именно Землю (а не Нептун, например, хотя он более синий). Синий цвет Земле придают океаны и атмосфера, которые, в свою очередь, обязаны им рэлеевскому рассеянию.
Но группа японским ученых считает, что так было не всегда. В своей статье в журнале Nature Ecology & Evolution они предполагают, что океаны в архейском эоне какое-то время были зелеными. Ну или хотя бы зеленовато-синими (рис. 1).
Около трех миллиардов лет назад Земля выглядела, в общем-то, как сейчас. Конечно, не было никакой зелени на континентах. Но небо и океаны были голубыми. В атмосфере отсутствовал кислород, поэтому среда была восстановительной, а не окислительной, как сейчас. Океаны были богаты двухвалентным железом, хорошо сохранявшимся в восстановительной атмосфере.
Но именно в это время в океанах Земли возникли цианобактерии (см. Перенастроенные «молекулярные часы» показали более точное время появления кислородного фотосинтеза, «Элементы», 12.10.2021). Эта группа бактерий путем горизонтального переноса как-то заполучила гены сразу двух фотосистем (от других бактерий, которые уже использовали их поодиночке). Работая «в тандеме», они смогли окислять кислород в составе воды до свободного кислорода, тем самым подарив своим обладателям неисчерпаемый ресурс для фотосинтеза: в океане воды в буквальном смысле залейся.
Концентрация кислорода в атмосфере повысилась примерно в тысячу раз (см. Кислородная революция и Земля-снежок). И, хотя она составляла всего-то 1–10% от современной, для тогдашних организмов это стало действительно катастрофой, вызвавшей перестройку всей биосферы: кислород был токсичен для тогдашних организмов. Развившись в восстановительной среде, они не имели никаких систем защиты от этого сильнейшего газа, по окислительной силе превосходящего хлор и уступающего только фтору. Всем бактериям — и самим цианобактериям тоже — пришлось срочно приобретать белки, которые могли бы утилизировать кислород с получением при этом энергии (см. Геномы новооткрытых цианобактерий свидетельствуют о позднем появлении кислородного фотосинтеза, «Элементы», 03.04.2017). В этом тоже помог горизонтальный перенос генов (от абсолютно разных бактерий), а сами эти белки известны нам как комплексы дыхательной цепи.
Но японские ученые в своей статье указывают еще на одно — менее очевидное — последствие появления большого количества кислорода для экосистемы. Ведь если океан в исходной точке был насыщен двухвалентным железом, значит, при насыщении воды кислородом оно должно было постепенно окислиться в трехвалентное. Оно и окислилось, отложившись впоследствии в виде полосчастых железистых кварцитов (см. Banded iron formation). Но железо не сразу оказалось включенным в составе горных пород — динамика процесса была куда сложнее.
Авторы установили в экспериментах, что кислород окисляет растворенное в воде двухвалентное железо с образованием гидроксида железа (III) в виде наночастиц. Эти наночастицы имеют малый размер до 100 нм, что позволяет им не оседать долгое время, формируя коллоидный раствор.
Затем, используя ранее опубликованные оценки концентрации двухвалентного железа и кислорода в океане древней Земли, исследователи построили математическую модель образования этой формы гидроксида железа с помощью численного решения дифференциальных уравнений. Этим методом им удалось оценить концентрацию коллоидного гидроксида железа в древних океанах: в приповерхностном слое, куда хорошо проникает солнечный свет и где обитают цианобактерии, она составляла порядка 10 мкмоль/л.
Наконец, они экспериментально измерили, какие длины волн видимого света лучше всего пропускает такой раствор. В обычной воде наилучшее светопропускание демонстрирует синий и голубой свет с длиной волны от 450 до 550 нм — именно поэтому под водой мир предстает перед нами в голубых тонах. Но 10 мкмоль/л коллоидного гидроксида железа резко меняют картину — минимальное поглощение в такой воде демонстрирует зеленый свет, имеющий узкий диапазон длин волн от 500 до 600 нм. Из-за этого уже глубины 5–10 м освещались в таком океане преимущественно зеленым светом.
Учёным удалось проверить свои выкладки наблюдательным путем. Несмотря на то, что двухвалентное железо в океанах Земли давным-давно окислилось, в районе острова Иодзима в архипелаге Сацума (не путать с Иводзимой) сохранилась акватория с высоким его содержанием. Сацума-Иодзима — остров вулканического происхождения. Как и у более известного тезки, его название буквально означает «серный остров» из-за выделяемых вулканами соединений серы. Но Сацума-Иодзима может похвастаться также выбросами двухвалентного железа из горячих источников на морском дне. Процесс окисления железа кислородом, который исследователи постулируют для океанов древней Земли, идет вокруг острова и сейчас — и подводный мир здесь действительно имеет зеленые оттенки (рис. 2).
Существуют ли на сегодняшний день какие-то еще доказательства, что в глубины древнего океана проникал зеленый свет — а не синий, как сейчас? Авторы призвали в свидетели самих цианобактерий, которые развивались именно в таких условиях (справедливости ради, цианобактерии их сами и сотворили). Исследователи провели филогенетический анализ генных и белковых последовательностей пигментов, составляющих светособирающие комплексы современных цианобактерий. Анализ показал, что у ранних цианобактерий — живших примерно во времена «Кислородной катастрофы», когда океаны массово окислялись, — возник и приобрел широкое распространение пигмент фикоэритрин (ФЭ). Этот пигмент входят в состав светособирающего комплекса, помогающего улавливать солнечный свет, об эволюции которого подробно рассказывалось в новости Новый вид цианобактерий проливает свет на эволюцию кислородного фотосинтеза («Элементы», 17.01.2022). Максимум его поглощения лежит именно в зеленой части спектра. У цианобактерий, которые эволюционировали позже и уже жили при голубом или белом свете, авторы насчитали гораздо меньшую встречаемость фикоэритрина. По их мнению, это указывает на жизнь древних цианобактерий в узком «световом окне» зеленого света.
Справедливости ради отметим, что зеленый свет — это середина спектра видимого света, поэтому и наличие приспособленных под него пигментов можно интерпретировать совершенно по-разному. Например, Минь Чэнь (Min Chen), профессор молекулярной биологии растений в Университете Сиднея, не убеждена в такой однозначной связи появления фикоэритринов и зеленого цвета. В своем комментарии журналу New Scientist она отмечает, что чувствительные к зеленому свету пигменты есть даже у почвенных цианобактерий, явно не сталкивающихся с зеленым светом, — они нужны им для защиты от оксидативного стресса.
Лишь в сочетании с математическими и химическими данными филогенетика позволяет осторожно выдвинуть гипотезу, что примерно во время «Кислородной катастрофы» океан был насыщен коллоидным диоксидом железа, поэтому пропускал в основном зеленый свет. Самое интересное, что тогда и сверху океан должен был бы выглядеть зеленым. Пример такого эффекта авторы сфотографировали в районе того же острова Сацума-Иодзима, где морские воды окрашены в синевато-зеленый цвет (рис. 3). Как и сине-голубой цвет современных океанов, эта зеленая «окраска» создается комбинацией отражения, светопоглощения и рэлеевского рассеяния. Если говорить очень просто, то отражаются океаном те длины волн, которые хуже всего поглощаются. Так что, если древний океан был зеленым «внутри», он был зеленым и «снаружи».
Тогда получается, что около 2,5 млрд лет назад с расстояния 6 миллиардов километров Земля выглядела не бледно-голубой, а бледно-зеленой точкой. Гипотеза очень интригующая — но, как уже было сказано выше, все свидетельства в ее пользу в обсуждаемой статье лишь косвенные и не слишком неоднозначные. Так что, возможно, мы никогда не узнаем, какого цвета были океаны на Земле, когда атмосфера наполнялась кислородом.
Источник: Taro Matsuo, Kumiko Ito-Miwa, Yosuke Hoshino, Yuri I. Fujii, Satomi Kanno, Kazuhiro J. Fujimoto, Rio Tsuji, Shinnosuke Takeda, Chieko Onami, Chihiro Arai, Yoko Yoshiyama, Yoshihisa Mino, Yuki Kato, Takeshi Yanai, Yuichi Fujita, Shinji Masuda, Takeshi Kakegawa & Hideaki Miyashita. Archaean green-light environments drove the evolution of cyanobacteria’s light-harvesting system // Nature Ecology & Evolution. 2025. DOI: 10.1038/s41559-025-02637-3.
Георгий Куракин
Свежие комментарии