Около трех миллиардов лет назад Земля, вероятно, не имела характерного бледно-голубого цвета, который мы видим сегодня из космоса. Новые исследования показывают, что цвет планеты в прошлом был связан с содержанием железа в океане, а также с эволюцией бактерий.
Цианобактерии представляют собой группу фотосинтезирующих бактерий. Подобно растениям, они обладают способностью преобразовывать солнечную энергию в химическую, а также выделяют кислород в процессе фотосинтеза. Эти организмы считаются одними из древнейших форм жизни на Земле : их присутствие зафиксировано в строматолитах – донных отложениях, образованных цианобактериями и окаменевших в древние времена. Возраст этих структур превышает 3,5 миллиарда лет, что указывает на их существование в ранние этапы эволюции Земли.
В процессе фотосинтеза у растений ключевую роль играет хлорофилл — пигмент, расположенный в хлоропластах клеток. Он способен поглощать свет в синей и красной частях спектра, при этом отражая зеленый. Зеленый цвет листьев обусловлен именно этим отражением света.
У цианобактерий также присутствует хлорофилл, а у некоторых видов – еще и группа дополнительных водорастворимых пигментов — фикобилинов. В состав этой группы входит фикоэритробилин, он поглощает свет в зеленой и желтой областях спектра, в диапазоне длин волн от 495 до 570 нанометров.
Команда японских ученых во главе с Таро Мацуо ( Taro Matsuo) ученые из Нагойского университета поставили перед собой два вопроса: какова функция дополнительных пигментов (фикоэритробилина) у цианобактерий, если они уже обладают хлорофиллом? И какую информацию о среде обитания первых фотосинтезирующих организмов может предоставить наличие подобных пигментов? Для ответа на эти вопросы исследователи провели ряд экспериментов и симуляций, направленных на изучение влияния древнего океана, покрывавшего Землю миллиарды лет назад, на эволюцию цианобактерий.
По словам Мацуо, во время архейского эона — геологический период, один из четырех основных этапов в развитии Земли, длившийся от 4 до 2,5 миллиарда лет назад — океан характеризовался высоким содержанием гидроксида железа ( Fe(OH)₃). По консистенции и цвету оно похоже на ржавчину — рыхлое, коричневато-красное вещество.
Мацуо и его соавторы провели компьютерное моделирование для оценки концентрации гидроксида железа в океане в прошлом и определения оптимальной области спектра для фотосинтезирующих организмов. Для этого ученые применили модели, имитирующие условия, существовавшие в архее.
Анализ указывает на то, что в архейском океане присутствовало значительное количество гидроксида железа, которое обеспечивало функцию гигантского фильтра, поглощая свет в синей части спектра. Вода, подобно современным условиям, поглощала свет в красной области спектра. Зеленый свет, благодаря этому, оставался «свободным» и мог достигать больших глубин. На основании полученных данных, исследователи предполагают, что зеленый свет в диапазоне длин волн, который сегодня поглощается фикобилинами – водорастворимыми пигментами цианробактерий, ранее беспрепятственно проникал в глубины.
Моделирование – лишь один из этапов работы. Для подтверждения своих выводов исследователи провели эксперимент. Они культивировали в лабораторных условиях различные виды цианобактерий (с фикоэритробилином и без него) при разном освещении. Цианобактерии, содержащие фикоэритробилин, демонстрировали значительно более быстрый рост по сравнению с обычными видами под воздействием зеленого света (в диапазоне длин волн, предположительно, проникавшем в глубины древнего океана). Предыдущий генетический анализ выявил наличие пигмента фикоэритробилин у общего предка современных цианобактерий. Таким образом, способность поглощать зеленый свет – не результат случайной мутации, а древнее эволюционное приобретение.
Ученые продолжили свои исследования, направившись к японскому вулканическому острову Ио, входящему в состав архипелага Кадзан. На глубине 5,5 метра горячие источники обогащают воду железом, придавая ей зеленый оттенок, напоминающий воду архейского океана.
На этой глубине цианобактерии, содержащие дополнительные «зеленые пигменты», полностью вытеснили другие виды. Напротив, в верхних слоях воды, где больше синего света, преобладали организмы, лишенные фикоэритробилина. Таким образом, природа воспроизвела лабораторные условия, продемонстрировав способность жизни к адаптации в зависимости от окружающей среды.
По мнению ученых, три миллиарда лет назад океан представлял собой обширный раствор, богатый гидроксидом железа. Этот элемент поглощал синий свет, в то время как вода, подобно современным условиям, поглощала красный. Зеленый свет в значительной степени проникал в океанские глубины, а часть его отражалась от поверхности. Именно этот свет оказал наиболее заметное влияние на общий цвет Земли.
Именно в таких условиях происходило развитие цианобактерий. Для поглощения света в диапазонах, где хлорофилл был неэффективен, они приобрели дополнительные пигменты. Эти пигменты способствовали выживанию бактерий в специфической среде, поскольку позволяли им передавать энергию зеленого света к хлорофиллу, что обеспечивало организмам значительное преимущество. Постепенно цианобактерии начали выделять кислород, который вступал в реакцию с гидроксидом железа, и образовавшиеся тяжелые частицы оседали на дно.
Около 600 миллионов лет назад завершился зеленый период Земли, когда железо в океане было полностью окислено кислородом, создаваемым бактериями. Это событие оставило свой след в виде слоистых железных руд – отложений оксидов в древних горных породах.
Со временем вода становилась все более прозрачной, зеленый оттенок исчез, и Земля постепенно приобрела бледно-голубой цвет, который аппараты видят из космоса. Современный цвет нашей планеты — результат не только океанов, но и атмосферы. Рэлеевское рассеяние ( явление, из-за того, что синий свет сильнее рассеивается в атмосфере, небо приобретает голубой оттенок, который сочетается с темно-синим цветом океанов.
Даже сейчас, в прибрежных зонах с обильным количеством органических веществ, таких как листья, водоросли и ил, вода нередко имеет зеленоватый оттенок. Органические соединения поглощают синий свет, позволяя зеленому цвету оставаться доступным для цианобактерий, которые продолжают использовать его в процессе фотосинтеза. Кроме того, зеленоватый цвет океанов может служить ориентиром для астрономов: если далекая экзопланета воспринимается как зеленая, это может свидетельствовать о наличии там цианобактерий, осуществляющих окисление металлов в воде.
Научная работа команды Мацуо опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.