Ученые проанализировали то, как сине-зеленые бактерии ощущают свет и движутся к нему, и пришли к выводу, что эти микробы используют те же принципы для работы своего зрения,  что и глаза многоклеточных существ, говорится в статье, опубликованной в журнале eLife.

Бактериальный глаз"То, что микробы реагируют на свет, является одним из самых древнейших научных открытий. И то, что мы показали, что бактерии являются оптическими объектами, является очевидной вещью, если смотреть на это открытие задним числом, однако до этих опытов мы никогда не думали об этом. И никто другой не замечал этого, несмотря на 340 лет опытов с бактериями", — заявил Конрад Мулине (Conrad Moulineaux) из университета королевы Марии в Лондоне (Великобритания).

Мулине и его коллеги пришли к выводу, что бактерии обладают своеобразными "глазами", наблюдая за тем, как сине-зеленые цианобактерии из рода Synechocystis, живущие в пресноводных озерах и реках, реагировали на лучи света.

До этих опытов ученые считали, что бактерии движутся в сторону источника света фактически "наощупь" – предполагалось, что они ощущают малейшие различия в освещенности разных частей своей оболочки и двигают себя в ту сторону, где света больше.

Авторы статьи проверили, так ли это на самом деле, освещая одиночных микробов при помощи специальных ламп, позволявших им  крайне гибко управлять градиентом освещенности и задавать особые световые узоры, способные обманывать зрение микроба.

К удивлению ученых, бактерии никак не реагировали на перепады в уровне освещенности, если источник света был скрыт от них – в таком случае они двигались случайным образом, а не скапливались в самом светлом участке чашке Петри, где обитали Synechocystis.

С другой стороны, когда ученые имитировали Солнце, освещая чашку при помощи обычного светильника, чей луч был направлен под почти прямым углом к поверхности, в таком случае микробы действительно двигались в сторону "светила". Это означает, что микробы напрямую видят свет.

Подобное загадочное поведение заинтриговало исследователей, и они попытались узнать, как микроб воспринимает свет,  изучив оптические свойства его оболочки и прочих частей клетки, наполнив Synechocystis молекулами флуоресцентного белка, светящегося при облучении ультрафиолетом.

Как оказалось, оболочка Synechocystis представляет собой полупрозрачную линзу, которая фокусирует проходящий через нее свет на противоположной стенке бактерии, где находится ряд молекул фотопигментов. Фактически, это превращает микроб в миниатюрный глаз, способный видеть источники света и видеть грубые контуры предметов и крупных препятствий в среде обитания, заключает Мулине.

Источник: РИА Новости

Миллионы лет назад на Земле внезапно возникло множество новых видов живых существ, от членистоногих до иглокожих. Этот феномен назвали кембрийским взрывом, и учёные до сих пор пытаются найти ему объяснение. Одним из важных факторов кембрийского взрыва считают увеличение кислорода в атмосфере, что подтверждается и геологическими данными. Правда, не совсем понятно, почему уровень кислорода повысился именно в это время. 

Древние цианобактерии, возможно, помогли появиться на Земле новым формам жизни. (Фото Dr. Ron Dengler.)Исследователи из Бристольского университета (Великобритания) полагают, что дело тут было не столько в кислороде, сколько в азоте. Используя генетические данные, они попытались восстановить взаимоотношения между сине-зелёными водорослями, кои, благодаря своему фотосинтезу, могли вызвать в атмосфере значительные перемены и повлиять тем самым на пути эволюции. 

В журнале Current Biology исследователи сообщают, что среди тогдашних цианобактерий были такие, которые могли превращать атмосферный азот в биодоступную форму, и в таком биодоступном виде он вполне мог входить в морскую экосистему. Геномный анализ показал, что такие виды сине-зелёных водорослей могли появиться около 800 млн лет назад. 

Тут надо вспомнить знаменитую кислородную катастрофу, которая случилась около 2,3 млрд лет назад. Тогда в атмосфере благодаря тем же цианобактериям впервые появился кислород, и Земля перестала быть прежней: анаэробные организмы, которые её населяли, вынуждены были если и не исчезнуть, то сильно потесниться. Однако, по мнению Патрисии Санчес-Баракальдо (Patricia Sanchez-Baracaldo) и её коллег, эти «кислородные» цианобактерии долгое время не могли активно заселять древний океан — попросту из-за нехватки питательных веществ с биодоступным азотом. 

Этот азот им как раз предоставили другие цианобактерии, появившиеся, как уже сказано, около 800 млн лет назад. «Кислородные» цианобактерии после этого наконец-то смогли войти в полную силу: они стали активно колонизировать океан и наполнять его кислородом. А это, в свой черёд, дало толчок к развитию новых форм жизни. 

Так что кислород, с одной стороны, действительно мог спровоцировать кембрийский взрыв, но — благодаря вовремя подоспевшему биодоступному азоту.

Авторы работы утверждают, что в пользу такой последовательности событий говорят и некоторые климатические события, происходившие в то время на Земле, однако не будем забывать, что все теории, касающиеся древнейшего прошлого планеты, являются лишь более или менее вероятными. 

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

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

Традиционное представление о переходе древнейших организмов от одно- к многоклеточности заключается в том, что это необратимый скачок, после которого многоклеточные организмы продолжили усложняться, оставив далеко позади одноклеточных предков. Но, как утверждает Беттина Ширмайстер из Цюрихского университета (Швейцария), у сине-зелёных водорослей многоклеточность несколько раз возникала и терялась в ходе эволюции.

Вид на Большой призматический источник, что в Йеллоустоунском национальном парке (США). Характерная окраска гейзера — это они, сине-зелёные. (Фото Jim Wark / Stock Connection / Science Faction / Corbis.) Сине-зелёные водоросли (или цианобактерии), фотосинтетические прокариоты, впервые обнаруживают своё присутствие в окаменелостях, чей возраст достигает 2,5 млрд лет; с тех пор они широко и основательно расселились по всей планете. Группа исследователей под началом г-жи Ширмайстер, использовав генетические карты 1 254 видов цианобактерий, построила на основании генетического родства 11 000 филогенетических (эволюционных) деревьев водорослей, чтобы понять, в какой именно точке эволюции сине-зелёных возникла многоклеточность.

К удивлению учёных, сравнение генетических карт показало, что таких точек в истории цианобактерий было несколько. И даже более того: многие современные одноклеточные произошли от многоклеточных предков, так что многоклеточность не является таким уж необратимым эволюционным скачком.

Впрочем, как отмечает палеобиолог Эндрю Нолл из Гарвардского университета (США), цианобактерии — это цианобактерии, и даже если их многоклеточные уступают одноклеточным в сложности организации — биохимической, генетической или структурной, это не обязательно справедливо в случае развития многоклеточности у эукариот.

Результаты исследования немецких учёных опубликованы в февральском номере журнала BMC Evolutionary Biology. 

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

Океанические сине-зелёные водоросли Synechococcus производят 20% кислорода на планете. Такой высочайшей производительностью они обязаны уникальному умению приспосабливаться к нужной длине световой волны. То есть водоросль настраивает свою фотосинтетическую систему в зависимости от того, какая длина волны сейчас более доступна. Соответственно, у водорослей меняются пигменты, отвечающие за ловлю фотонов, и сама клетка следом меняет цвет, подобно хамелеону. 

Цианобактерия Synechococcus крупным планом (фото Science VU / DOE)Учёным из Университета Индианы (США) удалось расшифровать механизм, позволяющий Synechococcus переключаться с одной пигментной системы на другую. Они нашли у цианобактерий ген MpeZ; его активность зависит от синего света. MpeZ кодирует фермент, который сносится с белком-антенной, связанным с пигментом фикоэритрином I. Этот пигмент обычно ловит зелёный свет, но фермент заменяет у пигмента «зелёные» хромофорные группировки на те, что позволяют улавливать синий: так фикоэритрин I превращается в фикоэритрин II. Эта модификация обратима, и если уровень синих волн падает, то пигмент возвращается к поглощению зелёных волн. 

Изменения в окраске цианобактерий Synechococcus в зависимости от режима освещённости (рисунок авторов работы)Соответствующим образом меняется и цвет водорослей. В прибрежных водах, где они поглощают зелёный свет, пигмент придаёт клеткам красный оттенок. Вдали от берега, в более глубоких водах усиливается доля синего и водоросли становятся оранжевыми. Эта молекулярно-генетическая уловка и позволяет Synechococcus жить и успешно вести фотосинтез в разном режиме освещённости, снабжая океан и всю планету кислородом. 

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Современные цианобактериальные маты, живущие в бедных кислородом озёрах, способны существенно обогатить этим кислородом окружающую их воду. Возможно, в древние времена предки многоклеточных животных выживали благодаря таким бактериальным сообществам.

Жёлтый бактериальный мат из источника в Йеллоустоунском национальном паркеИсследователи из Университета Альберты (Канада), изучив сообщества бактерий в солёных озёрах Венесуэлы, пришли к выводу, что доисторические цианобактериальные маты были для первых многоклеточных организмов этакими «кислородными подушками».

Бактериальные маты — довольно сложные сообщества микроорганизмов, среди которых доминируют сине-зелёные водоросли, или цианобактерии. Внешне это толстые, от нескольких миллиметров до двух сантиметров, плёнки плесени, покрывающие субстрат; верхний слой обычно представлен фотосинтезирующими цианобактериями, нижний — анаэробными бактериями (например, сульфатными). Считается, что эти сообщества дошли до нас с древнейших времён, когда, кроме бактерий, на Земле больше никого не было. Сейчас такие маты распространены в местах с экстремальными условиями обитания — например, на дне водоёмов с повышенной солёностью. Венесуэльские маты покрывают почти всё дно озера и, таким образом, как бы имитируют древнейшую экосистему, которая могла существовать 540 млн лет назад.

Палеобиологи попробовали выяснить подробности жизнедеятельности таких матов. Они исследовали химический состав воды внутри бактериального сообщества и над ним. Парциальное давление кислорода в воде было очень низким, около 0,1 атм, но вблизи цианобактериального мата концентрация кислорода в течение дня могла возрастать с 0,2 до 0,45 атм. При этом в самом мате, в его верхнем слое, давление кислорода достигало почти 1 атм. Это связано с деятельностью цианобактерий, которые выделяют кислород в процессе фотосинтеза.

Сейчас парциальное давление кислорода в воздухе составляет 0,21 атм, но в период становления первых многоклеточных организмов это значение колебалось около 0,1 атм, что было слишком низким для первых многоклеточных; в таких условиях могли себя хорошо чувствовать разве что губки. Древнейшие организмы, по всей видимости, спасались вблизи цианобактериальных матов, являвшихся для них настоящими кислородными подушками.

Работа канадских палеобиологов опубликована в журнале Nature Geoscience.

На самом деле учёные давно предполагали, что древнейшие многоклеточные получали от древнейших бактериальных сообществ какую-то выгоду: ископаемые останки тех и других очень часто обнаруживаются вместе. Рассматриваемое исследование впервые описывает довольно правдоподобную причину для такого сожительства.

С другой стороны, как возражают скептики, кислород выделяется сине-зелёными водорослями только в дневное время суток, так как для фотосинтеза необходим солнечный свет. Как жили древние многоклеточные по ночам, когда бактерии временно переставали поставлять кислород? Личинки современных насекомых, которые живут вообще внутри матов венесуэльских солёных озёр, — и те на ночь впадают в спячку, чтобы переждать недостачу кислорода. Ну а древние животные могли быть слишком большими, чтобы жить прямо внутри сообщества бактерий. Авторы в ответ на это замечают, что среди ископаемых останков животных эпохи цианобактериальных матов встречаются довольно мелкие, размером в нескольких миллиметров, а кроме того, крупные многоклеточные могли жить вблизи бактериальных сообществ, поскольку последние насыщали кислородом не только верхний слой мата, но и окружающую воду.

В любом случае эта остроумная теория требует подтверждения того, что и древнейшие маты тоже могли продуцировать кислород.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Первые биологические часы появились вместе с фотосинтезом и подчинялись не смене дня и ночи, а изменениям концентрации кислорода в клетке.

Появление биологических часов у живых организмов случилось из-за накопления в атмосфере кислорода — к такому выводу пришли исследователи из Кембриджского университета (Великобритания). Статью, в которой они рассказывают, как доискивались происхождения суточного ритма, учёные опубликовали в журнале Nature. Биологические часы, как известно, есть почти у всех живых организмов, от одноклеточных водорослей до человека. Они выставлены на 24-часовой цикл, который может поддерживаться даже при отсутствии внешней коррекции в виде смены дня и ночи. Однако солнечный свет служит ключевым регулятором циркадного ритма, и гены, управляющие этим ритмом, обычно учитывают показания «оптических датчиков», то есть специальных фоторецепторов в глазу.

Несмотря, однако, на всеобщность, у разных организмов суточные ритмы устроены по-разному. То есть гены циркадного ритма у растений, дрозофил и, например, млекопитающих различаются довольно сильно. В связи с этим исследователи полагают, что биологические часы возникали в ходе эволюции неоднократно (по меньшей мере раз пять) у разных групп организмов. Но на этот раз учёные обратили внимание на гены пероксиредоксинов — ферментов, которые есть опять же почти у каждого живого существа на планете. Эти белки участвуют в обезвреживании опасных кислородных радикалов, образующихся в результате клеточного дыхания. Год назад эта же группа исследователей из Кембриджа сообщала, что уровень пероксиредоксинов в клетках морских водорослей и эритроцитах человека меняется по одинаковому ритму. И ритм этот, как легко догадаться, 24-часовой.

В новой работе учёные проанализировали динамику пероксиредоксинов среди более широко набора организмов: уровень ферментов измеряли у мышей, дрозофил, растений, бактерий и архебактерий. Оказалось, что активность генов пероксиредоксинов не зависит от солнечного света, без которого, как принято считать, биологические часы разлаживаются. Это навело исследователей на мысль, что пероксиредоксиновый ритм представляет собой какие-то другие, метаболические часы, не зависящие от остальных суточно-ритмических механизмов. Мутации, которые расстраивали обычный циркадный ритм, на колебаниях активности генов пероксиредоксинов никак не сказывались.

Вместе с тем учёные не считают, что метаболический и обычный световой суточные ритмы абсолютно независимы друг от друга. Вряд ли изменения в активности касаются только генов пероксиредоксинов; скорее всего, тут задействован ещё ряд ферментов, которые среди прочего могут выполнять связующую функцию между двумя системами суточного цикла. Однако специфика работы метаболических часов стала поводом для смелого предположения, что пероксиредоксины некогда были самыми первыми биологическими часами.

Вместе с «открытием» бактериями фотосинтеза 2,5 млрд лет назад им срочно понадобились системы, которые обезвреживали бы опасные продукты кислородных реакций. Появление фотосинтеза привело, как известно, к кислородной катастрофе, после которой те, кто не мог жить в новой атмосфере, вымерли или ушли в тень. Для реакции фотосинтеза необходим свет, но первоначально суточный ритм, по предположению учёных, подчинялся именно колебанию концентрации кислорода. И лишь потом биологические часы взяли за образец смену дня и ночи.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА