Ученые из Японии приблизились к разгадке эволюции биологических часов, исследовав, как древнейшие фотосинтезирующие организмы — цианобактерии — синхронизировались с вращением Земли. Их открытие проливает свет на то, как жизнь на нашей планете адаптировалась к смене дня и ночи задолго до появления сложных форм организмов.
Считается, что цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, сыграли ключевую роль в глобальной Кислородной катастрофе (Great Oxidation Event) — периоде с 2,5 млрд до 2 млрд лет назад, когда атмосфера Земли начала насыщаться кислородом. Это событие радикально изменило эволюционный курс планеты, способствуя развитию аэробных форм жизни.
Но как эти простые микроорганизмы ориентировались во времени, чтобы эффективно использовать свет для фотосинтеза? Ответ — в их биологических часах, регулируемых тремя ключевыми белками: KaiA, KaiB и KaiC. Именно колебания активности этих белков позволяют цианобактериям предугадывать смену дня и ночи, оптимизируя свои метаболические процессы.
Команда исследователей из нескольких японских университетов, в том числе университета Фукуи и Института молекулярной науки в Окадзаки, реконструировала эволюцию этих белков, чтобы выяснить, когда именно у древних микроорганизмов появились самоподдерживающиеся циркадные ритмы. Они изучили как современные белки Kai, так и их предковые формы, воссозданные с помощью молекулярных моделей. Эксперименты проводились в пробирке: ученые наблюдали за колебаниями активности белков в искусственно воссозданной системе.
Результаты показали, что у древнейших форм KaiC отсутствовали функции, необходимые для устойчивых циркадных колебаний. Однако в процессе эволюции, особенно во времена глобальных катаклизмов — Великого, или Гуронского оледенения (2,4-2,1 млрд лет назад) и кислородных всплесков — эти белки приобрели необходимую структуру и начали вести себя как настоящие молекулярные часы. Исследователи установили, что древние ритмы были короче современных: примерно 18-20 часов, что соответствует скорости вращения Земли в ту эпоху.
Это означает, что изучение белков Kai позволяет не только понять биологические ритмы, но и буквально «восстановить» древнюю продолжительность земных суток. Таким образом молекулы Kai стали не только биологическим механизмом, но и хронологическим архивом нашей планеты.
Полученные знания открывают перспективы для создания модифицированных организмов, способных адаптироваться к условиям других планет с отличным от земного суточным циклом.
Как ранее рассказывала Наука Mail, бактерии могут рассказать о принципах организации жизни не только на Земле, но и за ее пределами.
