Три миллиарда лет назад планета могла окрашиваться не в бледно-голубой цвет, каким ее видят сегодня с помощью космических аппаратов, а иметь другие оттенки. Ученые установили связь между содержанием железа в океане, эволюцией бактерий и цветом Земли в прошлом.
Цианобактерии — группа фотосинтезирующих бактерий, которые, подобно растениям, преобразуют солнечную энергию в химическую и выделяют кислород в процессе фотосинтеза. Самые ранние виды живых существ на планете. Следы обнаружены в виде строматолитов — донных отложений, созданных цианобактериями и окаменевших бактериальных матов древности.
Возраст этих строматолитов превышает 3,5 миллиарда лет, что указывает на существование этих организмов на ранних этапах эволюции нашей планеты.
Главный компонент фотосинтеза у растений — хлорофилл. Это пигмент, располагающийся в хлоропластах клеток. Хлорофилл поглощает свет синего и красного цветов спектра, отражая зеленый. Именно это отражение зелёного света и придает листьям растений зелёный цвет.
Хлорофилл присутствует как у цианобактерий, так и у некоторых их видов, которые дополнительно обладают группой водорастворимых пигментов. фикобилинов. В состав этой группы входит фикоэритробилинОбъект, поглощающий свет в зелёной и жёлтой частях спектра с длинами волн приблизительно от 495 до 570 нанометров.
Японские учёные во главе с Таро Мацуо ( Taro MatsuoУчёные из Нагойского университета поставили два вопроса: в чём смысл дополнительных пигментов (фикоэритробилина) для цианобактерий, если у них уже есть хлорофилл? Что наличие таких пигментов может рассказать о среде, в которой развивались первые фотосинтезирующие организмы? Для ответа на эти вопросы учёные 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 Это один из четырех эонов истории Земли, длившийся с четырех до 2,5 миллиардов лет назад. В это время океаны были насыщены железом, растворявшимся в воде в виде гидроксида железа. Fe(OH)₃Это вещество похоже на ржавчину — рыхлое и коричнево-красного цвета.
Мацуо с соратниками провели моделирование для выяснения концентрации гидроксида железа в океане того времени и определения спектральной области, необходимой фотосинтезирующим организмам. В работе применялись компьютерные модели, способные воспроизвести условия, сходные с археическими.
Моделирование установило, что архейский океан содержал такое большое количество гидроксида железа, что он функционировал как огромный фильтр, поглощая свет в синей области спектра. Вода поглощала свет в красной области, подобно тому, как это происходит сейчас. Зелёный свет оставался «неприкосновенным» и мог проникать на большие глубины. Ученые сделали вывод о большой вероятности проникновения зелёного света в диапазоне длин волн, который сегодня поглощается фикобилинами — водорастворимыми пигментами цианробактерий.
Моделирование — лишь часть работы. Исследователи провели эксперимент, вырастив в лаборатории несколько видов цианобактерий под разным светом. Цианобактерии с фикоэритробилином росли в разы быстрее «обычных» под воздействием зеленого света (диапазон длин волн, предположительно проникавший в глубины древнего океана). Генетический анализ показал, что пигмент фикоэритробилин был у общего предка современных цианобактерий. Таким образом, «зеленый навык» — не случайная мутация, а древнее эволюционное изобретение.
Учёные отправились к японскому вулканическому острову Ио, находящемуся в архипелаге Кадзан. На глубине 5,5 метра горячие источники насыщают воду железом, из-за чего вода вокруг острова имеет зеленый оттенок, подобный архейскому океану.
На этой глубине цианобактерии с дополнительными «зелеными пигментами» полностью заняли территорию, а у поверхности, где больше синего света, преобладали другие виды без фикоэритробилина. Жизнь везде приспособилась к условиям среды.
Исследователи установили, что три миллиарда лет назад океан был подобен огромному «железному супу», насыщенному гидроксидом железа. Он поглощал синий свет, а вода, как и сегодня, поглощала красный. В глубины океана проникало большинство зеленого света, а часть отражалась от поверхности. Именно этот свет оказывал наибольшее влияние на общий оттенок Земли.
В таких условиях эволюционировали цианобактерии. Им пришлось подстроиться под доступный свет и развить дополнительные пигменты для фотосинтеза, которые ловили зеленые лучи. Эти пигменты помогали бактериям выживать в уникальной среде. Со временем цианобактерии стали выделять кислород, который вступал в реакцию с растворенным в океане железом и образовывал оксиды железа, тяжелые частицы которых опускались на дно.
Зелёный период Земли завершился примерно 600 миллионов лет назад. Бактерии производили кислород, который полностью окислил железо в океане. От этого события остались полосатые железные руды — слои окислов в древних горных породах.
С течением времени вода очистилась, зеленый оттенок исчез, и планета постепенно приобрела бледно-голубой окрас, видимый с орбиты космических аппаратов. Современный цвет Земли обусловлен не только океанами, но и атмосферой. явлениеГолубое небо получается из-за того, что синий свет сильнее рассеивается в воздухе, а он смешивается с темно-синим цветом океана.
И сегодня вблизи берегов, где много органических остатков (листья, водоросли, ил), вода часто имеет зеленоватый оттенок. Органические вещества поглощают синий свет, оставляя зеленый для цианобактерий, которые до сих пор используют его для фотосинтеза. Зеленый цвет океанов — подсказка для астрономов: если далекая экзопланета кажется зеленой, возможно, на ней есть подобные цианобактерии, которые окисляют металлы в воде.
Научная работа команды Мацуо опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.