Ранние эукариоты могли возникнуть на кислородных мелководных морских днах

Микрофоссилии из формации Макдермотт

Ключевые образцы были обнаружены в породах формации Макдермотт в бассейне Макартур на севере Австралии, возраст которых оценивается примерно в 1,78–1,73 млрд лет.

В этих породах сохранилась разнообразная коллекция микроскопических ископаемых, которые исследователи интерпретируют как ранние эукариотические организмы. Такие клетки, вероятно, уже обладали внутренними структурами — например, цитоскелетом и системой мембран — отличающими эукариоты от более простых прокариотических микробов.

Осадочные структуры пород показывают, что эти организмы жили в мелководных морских экосистемах древних внутренних морей. Это были среды вроде приливных равнин и донных осадков, а не открытый океан.

Как ученые определили кислородную среду

Чтобы восстановить условия обитания этих организмов, исследователи использовали несколько типов данных.

Во‑первых, распределение микрофоссилий. Они сосредоточены в слоях осадков, связанных именно с донными экосистемами, что указывает: организмы жили на морском дне или внутри осадков.

Во‑вторых, осадочная геология пород. Характер пород показывает, что они сформировались в мелководных прибрежных условиях — например, на приливных равнинах — а не в глубоководной среде.

В‑третьих, геохимические сигналы. Химические показатели в осадках свидетельствуют о том, что в этих местах существовали локальные зоны с доступным кислородом, даже несмотря на то, что значительная часть океанов в протерозойскую эпоху оставалась бедной кислородом.

Совокупность этих данных говорит о том, что древнейшие эукариоты были донными организмами, приспособленными к кислородным нишам на морском дне.

Что это говорит о митохондриях

Связь этих организмов с кислородной средой поддерживает идею о том, что ранние эукариоты использовали аэробный метаболизм — получение энергии с участием кислорода. Многие исследователи считают это косвенным признаком того, что такие клетки уже обладали митохондриями или похожими энергетическими системами.

Сегодня митохондрии есть у всех известных эукариот. Это означает, что их общий предок уже имел эти органеллы, позволяющие эффективно вырабатывать энергию с использованием кислорода.

Почему сложная жизнь долго оставалась редкой

Хотя эукариоты существовали уже около 1,7–1,8 млрд лет назад, они долго не становились доминирующими организмами в биосфере. В течение сотен миллионов лет экосистемы Земли оставались в основном миром прокариотических микробов.

Одна из главных причин — условия среды. Даже после того как в атмосфере накопилось заметное количество кислорода, глубокие области океанов оставались почти бескислородными.

Это означало, что организмы, зависимые от кислорода, могли жить лишь в ограниченных местах — например, на мелководье, где кислород появлялся локально. Поэтому ранние эукариоты, вероятно, были привязаны к небольшим кислородным участкам морского дна, что ограничивало их распространение и разнообразие на протяжении значительной части протерозоя.

Долгий путь к сложным экосистемам

Открытие показывает, насколько тесно эволюция сложной жизни была связана с изменениями окружающей среды Земли. Эукариоты могли появиться сравнительно рано, но их широкое распространение стало возможным только тогда, когда кислород стал более доступным в океанах.

Когда кислородированные среды начали расширяться, эукариоты постепенно вышли за пределы донных ниш и распространились в толще океанской воды. Это расширение экосистем со временем подготовило почву для появления водорослей, многоклеточных организмов и — значительно позже — животных.

Таким образом, австралийские микрофоссилии фиксируют редкий момент в истории планеты: период, когда сложные клетки уже существовали, но океаны Земли ещё не были полностью готовы к их бурному развитию.