Древние окаменелости указывают на зависимость ранней сложной жизни от кислорода

Микроскопические окаменелости, извлечённые из кернов породы возрастом 1,7 миллиарда лет в Дарвине, Австралия, предоставляют новые доказательства того, что самые ранние сложные клетки на Земле зависели от кислорода. Это открытие оспаривает недавние предположения о среде, в которой впервые появилась сложная жизнь.

В исследовании, опубликованном в Nature, проанализировано более 12 000 окаменелостей, извлечённых из осадочных кернов сланца, первоначально пробуренных компаниями по разведке полезных ископаемых несколько десятилетий назад. Исследователи из Университета Макгилла и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре изучали эти образцы вместе с геохимией окружающей породы, чтобы восстановить условия, в которых жили эти организмы.

Керны, хранящиеся в Геологической службе Северной территории, содержат сланец, образованный из древних морских осадков, отложенных в то время, когда большая часть северной Австралии была покрыта внутренним морем. По словам авторов исследования, окаменелости, принадлежащие эукариотам — домену жизни, включающему всех животных, растения, грибы и водоросли, — имеют возраст примерно от 1,75 до 1,4 миллиарда лет, что делает их самыми древними известными окаменелостями эукариот на Земле.

Эукариотические клетки принципиально более сложны, чем прокариотические. В отличие от бактерий и архей, эукариоты обладают ядром и специализированными внутренними структурами, называемыми органеллами, включая митохондрии, отвечающие за аэробное производство энергии. Переход от прокариотической к эукариотической жизни считается одним из важнейших событий в истории жизни на планете.

Для извлечения окаменелостей исследовательская группа измельчала и растворяла образцы сланца, затем изучала органические остатки под микроскопами. Они также анализировали химический состав самой породы, чтобы определить, присутствовал ли кислород в древней морской воде во время отложения.

Результаты оказались последовательными в различных условиях осадконакопления — от прибрежных илистых равнин до оффшорных морских сред. По словам исследователей, окаменелости эукариот почти исключительно встречались в образцах из кислородсодержащих придонных вод. Образцы из обеднённых кислородом, или аноксичных, условий содержали только более простые прокариотические микробные формы.

Это распределение имеет дополнительные последствия помимо подтверждения того, что ранние эукариоты нуждались в кислороде. Поскольку окаменелости практически отсутствовали в аноксичных образцах — даже в тех, которые были богаты прокариотическими организмами, — авторы утверждают, что это указывает на бентосный, то есть придонный образ жизни.

Если бы эти ранние эукариоты были планктонными, дрейфующими в открытой воде, их останки должны были бы появляться как в кислородсодержащих, так и в бескислородных осадках, поскольку мёртвые клетки, опускающиеся через водяной столб, оседали бы без разбора. Их почти полное отсутствие в аноксичных слоях, напротив, свидетельствует о том, что организмы жили и умирали на или рядом с морским дном, в зонах, где кислород был доступен.

Полученные данные поддерживают так называемую давнюю гипотезу: кислород был не просто случайно присутствующим во время эволюции ранних эукариот, а функционально необходимым для неё. Это отчасти связано с тем, что аэробное дыхание генерирует значительно больше энергии, чем анаэробные альтернативы, что соответствует метаболическим требованиям клеточной сложности.

Исследование также предполагает, что эукариоты оставались в основном ограниченными оксическими бентосными местообитаниями большую часть протерозойской эры, расширившись в планктонные, открытые водные среды только в неопротерозойскую эру, примерно между одним миллиардом и 540 миллионами лет назад. По мнению авторов, это отложенное экологическое расширение может помочь объяснить устойчивый разрыв в палеонтологической летописи: несоответствие между временем появления первых телесных окаменелостей эукариот и более широким появлением молекулярных биомаркеров, связанных с эукариотами, в геологической летописи.