Когда появился кислородный фотосинтез?

Фотосинтез — это преобразование энергии солнечного света в энергию химических связей органических соединений. Это самый распространенный биохимический процесс, который может производить кислород, а может и не производить. Кислородный фотосинтез сыграл ключевую роль в эволюции всего живого. Кислород, выделяющийся в атмосферу в качестве побочного продукта разложения воды, расходовался на формирование озонового слоя и использовался в дыхании. Благодаря этому организмы смогли выйти на сушу и образовать сложные многоклеточные формы. До сих пор не известно, когда и у каких организмов появился первый кислородный фотосинтез. Считается, что он возник у цианобактерий примерно 2,5 миллиарда лет назад.

Исследовательская группа из Имперского колледжа (Лондон, Великобритания) решила проследить эволюцию фотосинтеза, производящего кислород. С помощью метода молекулярных часов ученые оценили скорость эволюции ключевых белков фотосинтеза (белки фотосистемы II), расщепляющих воду. Суть этого метода в том, что значимые замены аминокислот в белке или нуклеотидов в ДНК происходят более или менее регулярно, поэтому они могут быть использованы для расчета скорости эволюционного изменения белка или ДНК. В расчетах также учитывали время появления различных групп цианобактерий и наземных растений, которые имеют разновидности этих белков.

Сравнение темпов эволюции белков фотосинтеза и других древних белков (АТФ-синтазы, РНК-полимеразы, рибосомных белков) выявило, что у них схожие эволюционные пути. Это значит, что белки, катализирующие расщепление воды на кислород и водород, могли быть у самых первых форм жизни, которые возникли более 4 миллиардов лет назад. Затем с помощью метода реконструкции предковой последовательности in silico ученые воссоздали строение древних фотосинтетических белков.

Анализируя их, они пришли к выводу, что первичный кислородный фотосинтез был простым и низкоэффективным процессом. Для его усовершенствования и появления цианобактерий потребовалось более миллиарда лет. И еще два миллиарда лет ушло на возникновение растений.

Знание закономерностей эволюции фотосинтеза может быть полезно для конструирования искусственных фотосинтетических систем, катализирующих сложные химические реакции за счет энергии света.

(Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, 2021, 6, полный текст)