Палеонтологи обнаружили в Австралии отложения древних морских осадочных пород, которые содержат в себе включения, похожие на так называемые тилакоиды, фотосинтезирующие структуры в клетках цианобактерий. Их открытие указывает на то, что фотосинтез появился на Земле как минимум 1,7-1,8 млрд лет назад, пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Мы обнаружили пока самые древние на Земле тилакоиды внутри цилиндрических микроокаменелостей, которые были найдены в отложениях пород из австралийской формации Макдермотт. Их открытие отодвигает время появления цианобактерий с тилакоидами назад в прошлое как минимум на 1,2 млрд лет и говорит в пользу того, что подобные микробы появились примерно 1,75 млрд лет назад", - пишут исследователи.

Данное открытие было совершено группой европейских палеонтологов под руководством профессора Льежского университета (Бельгия) Эммануэль Яво при изучении необычных микроскопических окаменелостей, которые были найдены на севере Австралии у берегов реки Макартур. Здесь залегают породы австралийской формации Макдермотт, которые сформировались на дне древнего моря примерно 1,78-1,73 млрд лет назад.

В этих отложениях присутствуют цилиндрические структуры, похожие по размерам и форме на бактерий или архей. Профессор Яво и ее коллеги впервые изучили внутреннее устройство этих микроокаменелостей при помощи трансмиссионного электронного микроскопа, для чего они разрезали несколько цилиндров на тонкие слои и просканировали их при помощи этого устройства.

По этой причине находка профессора Яво и ее коллег пока является самым древним на Земле свидетельством существования фотосинтезирующих организмов в целом и цианобактерий в частности. Последующее изучение этих окаменелостей, а также поиски их аналогов в других древних породах помогут ученым уточнить то, как и когда на нашей планете появились первые существа, способные использовать солнечную энергию для получения питательных веществ.

Ископаемая история фотосинтеза

По текущим представлениям палеонтологов и геологов, первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле примерно 2,4-2,1 млрд лет назад. Многие ученые считают, что свидетельством этого является то, что в это время произошла так называемая "великая кислородная катастрофа", во время которой концентрация кислорода в водах первичного океана Земли и ее атмосферы за очень короткое время выросла на несколько порядков.

Другие исследователи пока сомневаются в этом, так как у исследователей пока нет однозначных свидетельств существования фотосинтезирующих организмов в начале палеозойской эры. По этой причине "скептики" считают, что данные резкие сдвиги в концентрации газов могли породить абиогенные процессы, в том числе перемены в характере круговорота пород в недрах Земли.

Не взрыв гигантского астероида, а облако мельчайшей силикатной пыли, окутавшее Землю после его удара, — вот отчего погибли динозавры и другие животные мелового периода. К такому выводу пришли ученые по результатам моделирования и анализа осадочных отложений.

 Астероид — убийца динозавров

Примерно 66 миллионов лет назад, на рубеже мелового и палеогенового периодов, произошла экологическая катастрофа. Она стала причиной одного из пяти "великих" вымираний, в результате которого с лица Земли исчезли 75 процентов видов морских и наземных животных, в том числе все нептичьи динозавры, аммониты и крупные рептилии. 

Считается, что главным триггером мел-палеогенового вымирания стало падение на Землю астероида диаметром 10-15 километров. Место удара, известное как кратер Чиксулуб, нашли в 1978-м в районе полуострова Юкатан на юге Мексики.

 Картину катастрофы обычно описывают так. Астероид врезался в Землю на высокой скорости и фактически испарился. В месте падения образовался огромный кратер диаметром около 180 километров. Из него выбросило шлейф мелких обломков силикатных пород, а также гигантское аэрозольное облако сульфатов — соединений серы, присутствующих в морской воде.

Ударная волна опустошила окрестности и вызвала гигантское цунами, а тепловое воздействие спровоцировало массовые пожары. В воздух попали триллионы тонн пепла и сажи, на Землю на несколько лет опустилась ночь. Поднявшиеся до уровня стратосферы сульфатные аэрозоли создали дополнительный экран для солнечных лучей.

Температура на планете резко понизилась, наступила глобальная зима. Кроме того, из-за нехватки света у растений замедлился фотосинтез, что привело к уменьшению концентрации кислорода в атмосфере. Насыщение поверхностного слоя океана углекислым газом из атмосферы вызвало его закисление. Погиб весь фитопланктон — базовый элемент пищевой цепи в океане. Из-за этого вымерли и другие морские животные.

Похожий эффект домино имел место и в наземных экосистемах. Резкое сокращение растительной массы отрицательно сказалось на выживаемости травоядных. От недостатка пищи в цепочке пострадали и плотоядные. В итоге исчезли все животные весом более 25 килограммов. Крупные представители фауны в наземных экосистемах вновь появились только спустя 15 миллионов лет после катастрофы.

Большинство ученых до сих пор сходились во мнении, что главным фактором наступления глобальной зимы стала сажа от пожаров, охвативших планету. Их свидетельство — тонкий слой углистого материала на границе мела и палеогена — находят по всему земному шару. Не последнюю роль в загрязнении атмосферы могли сыграть и аэрозольные частицы серы, и выбросы вулканического пепла. Геологические данные указывают на то, что в промежутке между 68 и 60 миллионами лет назад резко усилилась вулканическая активность. В это время на территории Индостана появились огромные лавовые поля — деканские траппы.

 Силикатную пыль, образовавшуюся при выбросе измельченных пород основания кратера, в качестве триггера глобального похолодания даже не рассматривали. Считали слишком тяжелой для того, чтобы оставаться в атмосфере долгое время и перемещаться по воздуху на большие расстояния. Однако результаты недавнего исследования говорят об обратном.

Бельгийские геологи под руководством Сема Берка Сенеля из Королевской обсерватории в Брюсселе вместе с коллегами из Нидерландов и США проанализировали состав и размер пылевидных частиц в осадочных отложениях участка Танис на юго-западе штата Северная Дакота в США. Здесь на поверхность выходят породы хорошо изученной формации Хелл-Крик. Возраст наиболее поздних отложений оценивается в 66,043 миллиона лет. Формация известна прежде всего большим количеством скелетов динозавров, беспозвоночных, рыб, рептилий, земноводных и ранних млекопитающих.

Участок Танис, расположенный в трех тысячах километров от кратера Чиксулуб, 66 миллионов лет назад представлял собой излучину реки, чье русло затопили волны цунами, вызванного ударом астероида. Послойная расшифровка комплекса осадочных пород позволила в деталях восстановить изменения, которые происходили в воздушной и водной среде сразу после катастрофического события.

Слои наполнены фрагментами растений, костей животных, обломочным мусором, силикатной пылью и микротектитами — мельчайшими кусочками оплавленного минерального стекла. Материал в отложениях участка Танис хаотично перемешан. Встречаются фрагменты растений, морских и пресноводных рыб, рептилий, перья птиц. При этом жабры рыб часто забиты песком и микротектитами, а обломки занимают вертикальное положение, и они не спрессованы. Это указывает на то, что их принес мощный турбулентный поток, который, очевидно, двигался от океана вверх по руслу древней реки. Высота волны, по оценкам ученых, достигала десяти метров.

Пыль важнее сажи

Прежде всего, авторы исследования установили, что силикатная пыль, образовавшаяся в результате удара Чиксулуба, очень мелкая. Размер ее зерен — от 0,8 до восьми микрометров. Это на один-два порядка меньше толщины человеческого волоса. Такая пыль может оставаться в воздухе до 15 лет и за это время несколько раз обогнуть земной шар. Моделирование показало, что выбросы пыли, наряду с сажей и серой, заблокировали фотосинтез почти на два года и привели к охлаждению поверхности Земли на 15 градусов Цельсия. Причем именно пыль сыграла ключевую роль. 

"Это первый случай, когда палеоклиматическое моделирование указывает на пыль как главный фактор установления двухлетнего периода подавления фотосинтетической активности и 15-20-летней зимы на всей планете", — отмечает доктор Сенель.

По уточненным расчетам, состав черной пелены, окутавшей Землю, примерно такой: 75 процентов — силикатная пыль, 24 — сера и только один процент — сажа. По утверждению ученых, соотношение обусловлено местом, на которое пришелся удар, — береговая часть полуострова Юкатан и часть прибрежной акватории.

Судьба жизни на Земле могла быть совсем другой, если бы астероид упал в другое место. Например, в океан: тогда никакой пыли бы не поднялось, сульфатные аэрозоли быстро развеялись, и экологической катастрофы не произошло. И наоборот, падение в центре одного из континентов было бы еще более губительным для всего живого.

Источник: РИА Новости

Обычная омела, символ католического Рождества, оказалась уникальным представителем царства растений, который не умеет расщеплять сахара при помощи кислорода и использовать их энергию для производства клеточной "энерговалюты", заявляют ученые в статье, опубликованной в журнале Current Biology.

Обыкновенная омела"Наши коллеги недавно выяснили, что у омел отсутствуют гены, связанные с кислородным дыханием в митохондриях. Мы думали, что они "переехали" в какую-то другую часть генома, и  были поражены, когда поняли, что омела полностью избавилась от этой части метаболической машины клетки. Она считалась обязательной частью клеток всех многоклеточных существ", — заявил Эндрю Маклин (Andrew McLean) из Центра Джона Иннеса в Норидже (Великобритания).

Геологи из университета Висконсин-Мэдисон (США), под руководством профессора Кларка Джонсона (Clark Johnson) обнаружили следы самого древнего на земле фотосинтеза. Результаты этого исследование, которое финансировалось NASA, опубликованы в журнале Earth and Planetary Science Letters. Коротко их пересказывает сайт (e) Science News.

Открытие было сделано в результате изучения американскими учеными образцов минералов из Южной Африки, возрастом 3,23 млрд лет, предоставленных коллегами из университета Йоханнесбурга (ЮАР). Эти камни имеют слоистую структуру из кварца и оксида железа. Поскольку океан в то время был крайне беден кислородом (его содержание составляло всего 0,1% от нынешнего уровня), взяться для образования оксида он мог только в результате фотосинтеза.

Итак, уже 3,2 млрд лет назад, т. е. спустя «всего» 300 млн лет после возникновения на Земле жизни, какой-то живой организм уже занимался фотосинтезом. Кто бы это мог быть? Ученые считают наиболее вероятными кандидатами цианобактерии, занимающиеся как раз окислением различных элементов.

Поскольку образцы минералов взяты только из одной локации, ученые не могут доказать, что фотосинтез к тому времени уже был широко распространен. Но что он распространялся, сомнений не вызывает. «Существовал эволюционный прессинг в сторону развития кислородного фотосинтеза, — сказал профессор Джонсон. — Как только организмы вырабатывают у себя необходимую для этого машинерию, они подключаются к неисчерпаемому источнику энергии. Для жизни им становится достаточно солнца, воды и углекислого газа».

Таким образом, можно сделать вывод, что фотосинтез развивался задолго до «Великого окисления», которое насытило океаны и атмосферы Земли кислородом примерно 2,4-2,2 млрд лет назад.

Источник: Научная Россия

На дне ледникового фьорда на архипелаге Шпицберген, на глубине 166 м нашли многоклеточные водоросли, которые, по бытовавшим до сих пор научным представлениям, расти там просто не могут. Авторы открытия — Кристин Мейер (Kirstin S. Meyer) из Орегонского института морской биологии и Эндрю Свитмен (Andrew K. Sweetman) из Международного исследовательского института Ставангера. Их статью в онлайн-журнале MarineBiodiversityRecords пересказывает сайт журнала Science.

ВодорослиСвое открытие ученые сделали просто: установили на дно фьорда видеокамеры, а затем проанализировали их записи. Выяснилось, что список обитателей дна этих не самых гостеприимных в мире вод не исчерпывается морскими звездами и мшанками (это своеобразные и малоизученные животные, похожие на полипы). Кроме них, на дне фьорда обнаружились также многоклеточные водоросли — и вот это уже интересно.

Дело в том, что, как считалось до сих пор, расти в таких условиях многоклеточные водоросли не могут из-за недостатка света, критически важного для жизни любого растения. В умеренном и тропическом климате водоросли встречаются и на больших глубинах, до 268 метров. Но там гораздо выше прозрачность воды, так что солнечные лучи проникают глубже.

Теперь биологи предполагают, что постоянное яркое освещение во время полярного дня все же позволяет арктическим глубоководным водорослям получить достаточно света для того, чтобы поддерживать процесс фотосинтеза. И затем переждать подо льдом долгую полярную ночь.

Ученые собираются взять со дна образцы арктических глубоководных водорослей, чтобы определить их видовую принадлежность.

Источник: Научная Россия

Ярко-зеленый морской слизень, обитающий в тропических морях, способен выживать несколько месяцев без доступа еды благодаря тому, что он в прямом смысле этого слова ворует гены у водорослей и использует их для создания и поддержания системы фотосинтеза в своих клетках, пишут океанографы в журнале Biological Bulletin.

Морской слизень Elysia chlorotica"Мы думали, что нет такого способа, хитрости или трюка, которые бы смогли заставить гены водорослей или растений работать внутри клеток животных. Но вот оказывается, что они все-таки могут работать. Они позволяют животному использовать солнечный свет для получения питательных веществ. И благодаря этому, если что-то случается с их нормальным источником пищи, эти слизни не умирают от голода до тех пор, пока они не найдут новую порцию водорослей", — рассказывает Сидни Пирс (Sidney Pierce) из университета штата Мэриленд в Колледж-Парке (США).

Пирс и его коллеги несколько лет пытались найти ответ на одну из самых интригующих и старых океанографических загадок — как морские слизни Elysia chlorotica могут выживать несколько месяцев без доступа к еде. Часть этой головоломки была решена еще в 70 годах прошлого века, когда их коллеги обнаружили, что моллюск не просто съедает водоросли, но извлекает из них хлоропласты — клеточные органеллы, в которых происходит процесс фотосинтеза.

Как отмечают океанологи, другая часть загадки заключалась в том, что хлоропласты, по каким-то непонятным и таинственным причинам, жили внутри слизней необычно долго — по девять месяцев и даже дольше. И после почти трех десятилетий жарких споров и дискуссий, Пирсу и его научной команде подобрали ключ к этой части биологического "пазла".

Они попытались раскрыть секрет фотосинтезирующих способностей слизня в его геноме, сравнивая устройство различных генов и хромосом на разных этапах жизни моллюска. Для этого ученые пометили разные части ДНК слизня при помощи светящихся меток и проследили за тем, как менялась их структура по мере роста и жизни животного.

Этот прием раскрыл удивительную вещь — оказалось, что моллюск ворует у водорослей не только хлоропласты, но и гены, которые необходимы для поддержания их нормальной работы в течение длительного времени. Пока ученые не знают, как слизню удалось провернуть эту "кражу" и почему эти гены работают в его организме, несмотря на фундаментальные различия в устройстве животных и растительных клеток. По их словам, дальнейшее изучение этого феномена поможет биологам создать безопасные системы для вставки и замены генов в человеческие клетки.

Раньше он уже попадал в поле зрения "Мира дикой природы".

Источник: РИА Новости 

Для фотосинтеза в клетках растений, водорослей и цианобактерий существуют огромные белковые комплексы, среди которых есть антенны-фотоуловители, реакционные центры, переносчики электронов и пр. И если говорить, например, о сине-зелёных водорослях (которые, как считается, дали нашей планете кислород), то у них вся эта куча белков объединена в три модуля, называющиеся фикобилисомой, фотосистемой II и фотосистемой I.

Фотосинтетический мегакомплекс цианобактерий; над плоскостью мембраны выступают фотоуловительные антенны фикобилисомы, а под ней располагаются комплексы фотосистем I и II. (Иллюстрация Haijun Liu / Washington University in St. Louis.)Понятно, что эти комплексы должны располагаться рядом друг с другом и особым образом контактировать — чтобы перенос энергии проходил быстро и эффективно, иначе никакой выгоды от всей фотосинтетической машины не будет. Однако до сих пор исследователи могли изучать только разъединённые компоненты фотосинтетического аппарата. Хотя и предполагалось, что они должны быть соединены, этого никак не удавалось увидеть экспериментально, и даже уверенности в том, что такой мегакомплекс существует, не было.

И вот стараниями Роберта Бланкеншипа (Robert Blankenship) и его коллег из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) такой комплекс всё-таки удалось увидеть.

Исследователи экспериментировали с сине-зелёными водорослями. Им удалось вытащить из клеток цианобактерий фикобилисомы (которые служат антенной для фотонов) вместе с обеими фотосистемами. Для этого белки, входящие в состав фотосинтетической машины, особым образом метили, чтобы потом, обработав живую клетку специальным реагентом, заставить белки прочно связаться друг с другом. Достаточно прочно для того, чтобы их можно было вытащить из клетки и изучить другими методами.

Масс-спектрометрический анализ подтвердил, что мегакомплекс действительно объединяет все три модуля. Заодно выяснилось, какие именно белки обеспечивают единство комплекса и как именно они это делают. (Учитывая размер этой фотосинтетической мегамашины, можно представить, какую массу данных пришлось проанализировать после разрушения белков на пептиды.)

Одновременно удалось экспериментально увидеть, как происходит перенос энергии внутри мегакомплекса. Перенос порции энергии и впрямь осуществлялся в комплексе сверхбыстро — за одну пикосекунду. Однако для эффективного переноса электронов одного лишь мегакомплекса мало: тут требовались мобильные посредники вроде белка цитохрома и других, которые плавали бы рядом. Всё вместе можно представить в виде огромной молекулярной горы, через которую идёт поток энергии, а вокруг снуют молекулы-посредники, облегчающие передачу электронов.

Даже если не слишком представлять себе детали этой работы, всё равно легко понять как её фундаментальное значение (а это крупный прорыв в изучении фотосинтеза), так и прикладное (основа для будущих разработок искусственных фотосинтетических агрегатов). Кроме того, методы, которыми пользовались исследователи, можно применить и к другим надмолекулярным комплексам, строение и функционирование которых нам ещё предстоит изучать и изучать.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Пурпурные бактерии — группа протеобактерий, умеющих фотосинтезировать на бактериохлорофилле без вовлечения в процесс воды и, следовательно, выделения кислорода. По всей видимости, появилась эта группа в жуткой древности, настолько седой, что прекрасно живёт в бескислородной среде.

Пурпурные бактерии создают «гель» вокруг индивидуальных клеток, связывая друг друга в колонии. Такие колонии в ряде случаев оказываются чрезвычайно устойчивыми к резкому увеличению потока фотонов. (Здесь и ниже иллюстрации UM.) Физик Нил Джонсон (Neil Johnson) из Университета Майами (США) взялся выяснить, могут ли эти организмы, чьи предки жили некогда под лучами молодого Солнца с его изменчивой светимостью, здравствовать под лучами других звёзд, так называемых вспыхивающих

Вопрос далеко не праздный: красные карлики, составляющие подавляющее большинство звёзд во Вселенной, в молодости часто резко меняют свою светимость. А поскольку их жизненный цикл может быть в сто раз длиннее, чем у Солнца, «молодость» растягивается, и даже звезда постарше Земли способна безобразничать подобно тому, как это делало наше светило, будучи 100 млн лет отроду. Так, Глизе 412 B не так давно умудрилась увеличить поток исходящего от неё излучения в 15 раз за 160 секунд. Что будет с жизнью, если она всё же образуется в таких условиях? А ну как фотосинтезирующие организмы на вечно освещённых из-за приливного захвата обитаемых мирах вокруг красных карликов внезапно врежут дуба?

«Люди долго игнорировали тот факт, что фотосинтез — и жизнь вроде земной — это не просто следствие правильной атмосферы и нужной интенсивности освещения, — поясняет свой интерес к теме г-н Джонсон. — Как мы показываем, критическим недостающим ингредиентом является то, как именно свет от звезды прибывает к живому организму». Чтобы построить модель, учитывающую максимально широкий спектр условий по освещению, учёные использовали последние эмпирические данные по фотосинтезу пурпурных бактерий, полученные при помощи атомно-силовой микроскопии.

В умеренном сценарии роста изменчивости входящего излучения белые регионы соответствуют ситуациям, когда пурпурные бактерии выживут, а заполненные точками — случаям, когда их выживание не столь вероятно.В умеренном сценарии роста изменчивости входящего излучения белые регионы соответствуют ситуациям, когда пурпурные бактерии выживут, а заполненные точками — случаям, когда их выживание не столь вероятно.При этом выяснились довольно странные вещи. В ряде ситуаций, когда звёзды, близкие по спектральным параметрам к Солнцу, умеренно меняли светимость на короткий срок, пурпурные бактерии, согласно расчётам, должны были погибнуть, хотя в среднем количество получаемого ими излучения не отличалось от того, что сегодня такие микроорганизмы имеют от нашего Солнца. «Это как если бы мы попытались сжать ваш недельный рацион в один день, а всё, что вы не успели съесть, забрали бы обратно. Вы можете не суметь сохранить всю эту пищу, ведь часть её испортится - или у вас просто не получится съесть столько за сутки, — поясняет Нил Джонсон. — Свет для этой бактерии — та же еда, и проблемой здесь является количество еды, сопряжённое со временем её поглощения».

Свет приходит к нам от Солнца в виде пакетов фотонов. Пурпурная бактерия использует фотоны в так называемых реакционных центрах, где они подстёгивают химические реакции, снабжающие микроорганизм едой. «Реакционный центр, как и любая кухня, не может делать тысячу вещей одновременно, — продолжает учёный. — Новые вещества, образованные в ходе процесса, должны потратить некоторое время на то, чтобы распространиться по всему организму. Если этого не случится, избыток продуктов реакции может убить бактерию. Хотя наши результаты исходят из расчётов, можем сказать следующее: не очень-то похоже, что бактерия выживет в таких условиях».

Сценарий экстремально изменчивой фотонной статики в значительном количестве случаев всё же позволяет земным фотосинтезирующим бактериям выживать без существенных затруднений (белая зона) — хотя такое небо стоит искать только под звёздами, склонным к вспышкамОдновременно выяснилось, что под лучами некоторых звёзд, сильно отличающихся от нашего Солнца и склонных к вспышкам, бактерия, согласно модели, напротив, может пережить настоящий потоп фотонов. Как отмечают исследователи, оказалось, что пурпурная бактерия имеет значительно больше реакционных центров, чем это кажется необходимым под сегодняшним Солнцем. Грубо говоря, «кухонь» в их организме так много, что даже внезапное прибытие огромного количества фотонных пакетов не перегрузит способность таких организмов к фотосинтезу и усвоению получаемых в его ходе веществ.

Исследователи подозревают, что такая избыточность систем фотосинтеза не является уникальной чертой пурпурных бактерий. В ближайшее время они намерены расширить модель так, чтобы учесть в ней реакции других фотосинтезирующих форм жизни.

В целом выводы авторов скорее склоняются к тому, что даже в условиях экстремальной фотонной статистики выживание пурпурных бактерий следует оценить как очень вероятное. В то же время модель было бы неплохо подтвердить опытами в лаборатории с искусственно изменёнными условиями освещения, соответствующими переменным звёздам. Впрочем, теоретическая способность бактерий продолжать жизнь в таких условиях вряд ли может вызывать слишком уж большие сомнения: в конце концов, молодое Солнце миллиарды лет назад также поставляло на Землю излучение с экстремальной фотонной статистикой. И первые фотосинтезирующие организмы Земли сумели как-то выжить!

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Scientific Reports (доступен полный текст).

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Отличительная черта фотосинтеза в растениях — расщепление воды и производство кислорода. Но некоторые группы бактерий занимаются фотосинтезом, не вырабатывая кислорода: окисляя железо, например. Эволюционные биологи полагают, что эти формы фотосинтеза развились первыми и существовали задолго до кислородобразующих.

Поклонение солнцу началось раньше, чем мы думали. (Фото Migara Luvis.)Но когда именно? Окаменевшие микробные маты, сформировавшиеся на мелководье 3,4 млрд лет назад на территории современной Южной Африки, уже содержат следы этого процесса. А если углубиться ещё дальше в прошлое?

Логичнее всего проанализировать самые древние осадочные породы, рассудил Эндрю Цайа из Цинциннатского университета (США). Они находятся в Гренландии и содержат огромные запасы оксида железа — загадка, над которой учёные ломают голову много лет.

Г-н Цайа взялся за изотопный состав проб этого окисленного железа. Выяснилось, что некоторые изотопы сильнее распространены, чем должны были в том случае, если бы железо окислялось случайным кислородом. Более того, изотопный баланс породы менялся от точки к точке.

И то и другое можно объяснить наличием фотосинтезирующих бактерий. Дело в том, что эти микроорганизмы окисляют преимущественно небольшую долю растворённого железа и их предпочтение к тем или иным изотопам варьируется в зависимости от условий окружающей среды. И если г-на Цайа прав, то возникновение фотосинтеза придётся отодвинуть в прошлое на 370 млн лет.

Майк Тайс из Техасского университета A&M (США), один из тех, кто обнаружил следы фотосинтеза в южноафриканских отложениях, считает, что это лучшая из рабочих гипотез, объясняющих столь странное количество окисленного железа в древней породе.

Вильям Мартин из Дюссельдорфского университета (ФРГ) согласен с этим: «Аноксигенный фотосинтез — хороший кандидат в объяснения». «Если бы этот анализ проводился на марсианских породах, то присяжные, несомненно, отказались бы выносить однозначный вердикт, — разглагольствует Мартин Бразьер из Оксфордского университета (Великобритания). — Но на Земле мы склоняемся к бескилородному фотосинтезу».

Результаты исследования опубликованы в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Многие животные используют фотосинтез, чтобы получать питательные вещества. Фотосинтезом на Земле занимаются растения, водоросли и бактерии, но сейчас речь идёт вовсе не о поедании их животными, а о симбиозе одних с другими. Например, кораллы получают углеводы, синтезированные живущими в них водорослями. Так же поступают губки и голожаберные моллюски. Более того, некоторые животные, кажется, сумели овладеть фотосинтезом сами, безо всякой помощи растений: вспомним хотя бы прошлогоднее сообщение о фотосинтезирующих тлях.

Пятнистая амбистома (фото Matthew Ignoffo)Но всё это примеры из группы беспозвоночных. Могут ли позвоночные пользоваться преимуществами фотосинтеза с водорослями или растениями, никто точно сказать не мог, хотя о таком сожительстве известно довольно давно. Так, в 1888 году биологи обнаружили, что одноклеточные водоросли Oophila amblystomatis колонизируют яйца саламандры амбистомы пятнистой. К 1940-м стало окончательно ясно, что тут имеют место симбиотические отношения: водоросли поглощали метаболический «мусор», выделяемый зародышами амбистомы. При этом зародыши усваивали кислород, выделяемый фотосинтезирующими сожителями. В итоге зародыши из яиц с большим содержанием водорослей развивались быстрее и выживали с большей вероятностью, чем те, у кого водорослей было мало.

Зародыши пятнистой амбистомы получают кислород и глюкозу от симбиотических водорослей. (Фото Pecos Valley Diamond.)Но не так давно обнаружилась ещё одна грань в отношениях между маленькими саламандрами и их симбиотическими водорослями. Оказалось, что водоросли живут буквально внутри эмбрионов, входя в их клетки. Это навело исследователей на мысль, что одним кислородом дело тут не ограничивается и зародыши амбистомы могут получать от водорослей ещё что-то.

Этим «чем-то» оказалась глюкоза. Исследователи из Темплского университета (США) держали яйца пятнистой амбистомы в воде, содержащей радиоактивный изотоп углерода-14. Водоросли брали этот углерод и встраивали его в молекулы глюкозы. При этом, как пишут учёные в Journal of Experimental Biology, зародыши тоже становились слегка радиоактивными, но только в том случае, если их держали на свету. То есть тот радиоактивный углерод, который получали зародыши, мог попасть к ним лишь в результате фотосинтеза.

Иными словами, зародыши не только дышали, но и кормились с помощью водорослей — подобно тому как это делают кораллы или губки.

Пятнистая амбистома пока что единственный пример позвоночного, использующего фотосинтез, но, как полагают исследователи, точно так же могут поступать другие земноводные, чьё развитие проходит в воде. Для зародышей присутствие водорослей чрезвычайно важно: без них эмбрионы развиваются дольше и хуже. Что же до водорослей, то пока не очень ясно, какое место в их жизни занимают яйца саламандр. Очевидно, их отсутствие не должно так уж сильно влиять на самочувствие водорослей. В конце концов, земноводные размножаются лишь в определённый сезон, и в остальное время года водорослям нужно как-то обходиться без саламандровых яиц.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Миллиарды лет назад маленькая сине-зелёная водоросль расщепила молекулу воды и выпустила яд, результатом действия которого стали смерть и разрушения в огромных масштабах. Речь о фотосинтезе, кислороде и гибели анаэробных жителей Земли.

Впервые геологи обнаружили свидетельства важнейшего эволюционного этапа, непосредственно предшествовавшего расщеплению воды цианобактериями. Это уникальный «снимок» момента перед тем, как мир приобрёл современный облик: с появлением фотосинтеза атмосфера наполнилась кислородом, и тем самым была проложена дорога к нынешнему разнообразию форм жизни. Это самое большое изменение в истории биосферы. 

Фотосинтез как метод производства энергии организмом возможен при наличии света и источника электронов. В нашем мире таким источником выступает вода, а кислород становится побочным продуктом реакции. Фотосинтез появился около 3,4 млрд лет назад, но нет никаких признаков образования кислорода в те далёкие времена. Скорее всего, древние организмы вместо воды пользовались сероводородом. Судя по окисленным минералам, фотосинтез в том виде, в котором мы знаем его сегодня, возник примерно 2,4 млрд лет назад.

Как же это произошло? Для ответа на этот вопрос Вудворд Фишер из Калифорнийского технологического института (США) и его коллеги изучили южноафриканские породы, сформировавшиеся незадолго до знаменательного рубежа. Анализ показал, что, несмотря на образование пород в бескислородных условиях, весь марганец находится там в окисленной форме.

При отсутствии атмосферного кислорода марганец нуждался в каком-то катализаторе для окисления. Учёные считают, что некий фотосинтезирующий организм пользовался марганцем в качестве источника электронов. Остававшиеся от этих реакций нестабильные ионы марганца реагировали с водой и образовывали оксиды.

Комментаторы приветствуют гипотезу, ибо она согласуется с предсказаниями эволюционной теории. Окисление марганца по-прежнему играет важную роль в фотосинтезе. В фотосинтезирующих структурах современных растений и водорослей расположены богатые марганцем кристаллы, которые становятся источником электронов. Для восполнения дефицита кристаллы отбирают электроны у проходящих мимо молекул воды. Именно этот «грабёж среди бела дня» расщепляет последние и производит тот кислород, которым мы дышим.

У этого сложного процесса, скорее всего, очень простые корни. В 2007 году Джон Аллен из Колледжа королевы Марии Лондонского университета (Великобритания) и Вильям Мартин из Дюссельдорфского университета (ФРГ) предложили следующий сценарий: по их мнению, современный фотосинтез родился, когда ранняя цианобактерия случайно оказалась в водной среде, богатой марганцем, и быстро адаптировалась к новому источнику электронов.

Поскольку марганец — сравнительно редкий ресурс, запасы которого не бесконечны, цианобактерии позже выработали другую стратегию. Они включили марганец непосредственно в свои фотосинтезирующие структуры и стали пользоваться последними как аккумуляторами: как только электроны заканчивались, они брали их из другого, более обильного источника, то есть воды.

Поэтому то, что нашла группа г-на Фишера, почти наверняка является остатком деятельности примитивных цианобактерий.

Результаты исследования были представлены на конференции Американского геофизического союза.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Rhizanthella gardneri — это милая, своеобразная, находящаяся под угрозой исчезновения орхидея, живущая всю жизнь в подполье. Она даже цветёт под землей, что делает её довольно уникальным растением.

Увидеть эту орхидею — большая удача. (Фото Fred Hort.) В прошлом году с помощью радиоактивных изотопов учёным из Университета Западной Австралии удалось показать, что орхидея получает все питательные вещества благодаря грибу, паразитирующему на корнях одной из разновидностей дрока, характерной для западно-австралийской глубинки.

И вот теперь исследователи расшифровали геном Rhizanthella gardneri. Весьма своевременно, ибо в природе осталось менее пятидесяти представителей этого вида.

Несмотря на то что это полностью подземное растение не способно к фотосинтезу и не имеет зелёных частей, оно всё ещё сохраняет хлоропласты. «Мы обнаружили, что по сравнению с обычными растениями 70% хлоропластных генов потеряны, — рассказывает ведущий автор исследования Этьен Деланнуа из Центра выдающихся достижений в биологии растительной энергетики. — Осталось только 37. Это самый маленький хлоропластовый геном».

Известно, что он кодирует и другие функции, помимо фотосинтеза, но на примере нормальных растений их очень трудно изучать. В Rhizanthella gardneri всё, что не является необходимым для паразитического образа жизни, отмерло. Осталась только та часть генома, которая нужна для производства четырёх важнейших белков.

Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Объединение цианобактерий с хозяйской клеткой, которое привело к образованию хлоропластов, происходило при участии третьего участника — паразитической бактерии, осуществлявшей перенос генов между симбионтами.

Водоросль-глаукофит Cyanophora paradoxa (фото cuplantdiversity)Считается, что растения и водоросли произошли в результате объединения каких-то древних эукариотических клеток и цианобактерий. Цианобактерии обладали способностью к фотосинтезу и служили пищей другим древнейшим одноклеточным. В какой-то момент хищники перестали съедать пойманные цианобактерии, оставляя их жить внутри себя. Постепенно отношения «хищник — жертва» превратились в отношения между симбионтами, и в конце концов цианобактерии превратились в хлоропласты — фотосинтезирующие органы, которые есть у всех современных растений и водорослей.

Исследователи из Университета Ратджерса (США) полагают, что объединение цианобактерий и древних эукариот не обошлось без участия третьей стороны — некоей паразитической бактерии, подобной современным хламидиям. В статье, опубликованной в журнале Science, авторы сообщают о результатах анализа генома глаукофитов — небольшой группы зелёных водорослей, состоящей всего из 13 видов. Эти водоросли числятся среди «живых ископаемых»: считается, что они обладают наименее «одомашненной» версией цианобактерий. Для их пластид придумали даже специальное название — цианеллы.

Глаукофиты демонстрируют нам, как происходило объединение цианобактерий и их хозяев. У глаукофитов есть белки, необходимые для синтеза крахмала, переноса хлоропластных белков и других биохимических процессов, общих для растений и водорослей. Но при этом у них нет собственных генов, которые нужны для транспорта синтезированных питательных веществ из цианобактерий-пластид. Авторы статьи утверждают, что им удалось найти генетические следы третьего симбионта — паразитической бактерии, чьи гены оказались необходимы для осуществления связи между хозяйской клеткой и цианобактерией.

Обмен генами между тремя участниками позволил создать хлоропласт, которым водоросли и растения пользуются и поныне. Скорее всего, некоторые гены цианобактерий, которые до сих пор сохраняются у цианелл глаукофитов, впоследствии перешли в клеточное ядро при посредничестве бактерии-паразита. Растения должны были принять в свои гены «сожителей», чтобы научиться управлять формирующимся органом. Гипотеза о том, что современные растения представляют собой химеры из нескольких предков, уже выдвигалась в 1960-х годах, но получить аргументы в её пользу смогли только сейчас. Что до причин, которые заставили древних одноклеточных эукариот предложить бактериям симбиоз, то о них остаётся только гадать. Возможно, как полагают учёные, 1,6 млрд лет назад резко сократилось количество пищи, и голодающим одноклеточным хищникам пришлось подумать о смене стратегии выживания.

Источник:  КОМПЬЮЛЕНТА

Стадо зелёных тлей (фото Nigel Cattlin)Обнаружена зависимость между содержанием у тлей пигментов каротиноидов и уровнем энергетических молекул АТФ.

Исследователи из технопарка Софии Антиполис (Франция) впервые в мире обнаружили фотосинтезирующих насекомых. Ими оказались обыкновенные, всем привычные тли. Биология этих насекомых, несмотря на их внешнюю невзрачность, вообще довольно удивительна: например, их самки могут появляться на свет уже беременными, а самцы иногда с рождения лишены рта и прожить могут в лучшем случае до спаривания.

Тем не менее тли удивили учёных ещё раз. Начнём с того, что они, в отличие от других живых существ, могут сами синтезировать каротиноидные пигменты. Эти пигменты участвуют во многих процессах, от регулирования иммунной системы до синтеза некоторых витаминов, но обычно животные вынуждены получать их вместе с пищей. Тли же, хотя и могут их синтезировать, делают это неодинаково. Цвет насекомого (а значит, набор каротиноидов) зависит от того, какие хищники на них охотятся и в каких условиях им приходится жить. Исследователи выращивали зелёных тлей, держа их на холоде (примерно при 8 ˚С), и оранжевых, которым обеспечивали комфортную температуру (около 22 ˚С). Белых тлей можно было получить в условиях высокой концентрации популяции.

В статье, опубликованной в Scientific Reports, исследователи пишут, что у зелёных тлей, содержащих максимум каротиноидов, было больше всего АТФ — главной энергетической молекулы. Минимум АТФ замечен у белых тлей. При этом, когда «нормальных», оранжевых особей помещали на свет, уровень АТФ у них возрастал, а когда прятали в тень — падал. Учёные показали, что смесь каротиноидов, которая содержится в оранжевых тлях, вполне может поглощать свет и использовать его энергию в реакциях фотосинтетической цепи.

Кроме того, пигменты образуют слой на глубине 0–40 мкм, что является оптимальным для улавливания световых волн.

Сами авторы описывают результаты с большой долей осторожности, говоря скорее о том, что существование фотосинтеза у тлей вполне возможно, но требует дальнейших доказательств. Если это действительно так, то тли станут единственными многоклеточными животными, которые способны получать энергию таким растительным способом. По мнению учёных, это умение могло бы пригодиться тлям при неблагоприятных условиях или же при переселении с растения на растение.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА