Древний океан окрасил Землю в зеленый цвет на протяжении 2,5 миллиардов лет.

Цианобактерии представляют собой группу фотосинтезирующих бактерий. Подобно растениям, они могут преобразовывать солнечную энергию в химическую и выделять кислород как побочный продукт фотосинтеза. Эти организмы считаются одними из самых древних форм жизни на Земле: их следы найдены в виде строматолитов (донные отложения, созданные цианобактериями, окаменевшие бактериальные маты древности), возраст которых превышает 3,5 миллиарда лет, что указывает на их существование на ранних этапах эволюции нашей планеты.

В растениях центральным элементом фотосинтеза является хлорофилл — пигмент, который содержится в хлоропластах клеток. Он поглощает свет в синих и красных диапазонах спектра и отражает зеленый. Именно отражение зеленого света делает листья растений зелеными.

Хлорофилл также присутствует у цианобактерий, а у некоторых видов дополнительно имеются водорастворимые пигменты — фикобилины. Эта группа включает фикоэритробилин, который поглощает свет в зеленой и желтой областях спектра с длинами волн примерно от 495 до 570 нанометров.

Команда японских ученых под руководством Таро Мацуо (Taro Matsuo) из Нагойского университета поставила перед собой два вопроса: зачем цианобактериям нужны дополнительные пигменты (фикоэритробилин), если у них уже есть хлорофилл? Что может свидетельствовать о среде, в которой развивались первые фотосинтезирующие организмы? Исследователи провели серию экспериментов и симуляций, чтобы выяснить, как древний океан, который миллиарды лет назад почти полностью покрывал поверхность Земли, повлиял на эволюцию цианобактерий.

По словам Мацуо, в архейский эон — один из четырех эонов истории Земли, охватывающий период от четырех до 2,5 миллиарда лет назад — океан был насыщен железом, которое растворялось в воде в виде гидроксида железа (Fe(OH)₃). Это вещество напоминает ржавчину — рыхлое, коричневато-красное.

Мацуо и его коллеги провели моделирование, чтобы определить, какое количество гидроксида железа могло находиться в океане в то время, и определить область спектра, необходимую для фотосинтезирующих организмов. Ученые использовали компьютерные модели, которые позволяли «воссоздать» условия, аналогичные условиям в архее.

Моделирование показало, что в архейском океане было столько гидроксида железа, что он функционировал как гигантский фильтр: поглощал свет в синей области спектра. Вода, в свою очередь, поглощала свет в красной области спектра, как и ныне. Зеленый свет должен был оставаться «неуязвимым» и мог проникать в глубины. Ученые пришли к выводу, что с высокой вероятностью в глубины проникал зеленый свет в диапазоне длин волн, который сегодня поглощается дополнительными водорастворимыми пигментами цианобактерий — фикобилинами.

Однако моделирование — это лишь часть работы. Чтобы подтвердить свои гипотезы, исследователи провели эксперимент. Они попытались вырастить в лаборатории под различным освещением несколько видов цианобактерий (с фикоэритробилином и без него). Цианобактерии с фикоэритробилином росли значительно быстрее «обычных» под воздействием зеленого света (в диапазоне длин волн, который, предположительно, проникал в глубины древнего океана). Ранее генетический анализ показал, что пигмент фикоэритробилин присутствовал у общего предка современных цианобактерий. Это говорит о том, что зеленый «навык» — не случайная мутация, а древнее эволюционное достижение.

Исследователи пошли еще дальше и посетили японский вулканический остров Ио, который является частью архипелага Кадзан. На глубине 5,5 метра горячие источники насыщают воду железом, из-за чего вода вокруг острова имеет зеленый цвет, как в архейском океане.

Выяснилось, что на этой глубине цианобактерии с дополнительными «зеленым пигментами» буквально захватили территорию, в то время как на поверхности, где больше синего света, доминировали другие виды без фикоэритробилина. Иными словами, природа сама повторила лабораторный эксперимент, подтвердив, что жизнь всегда адаптируется к условиям среды.

Ученые пришли к выводу, что три миллиарда лет назад океан напоминал гигантский «железный суп». Он был насыщен гидроксидом железа, который поглощал синий свет, а вода, как и сейчас, «забирала» красный. В океанские глубины проникала большая часть зеленого света, а некоторая часть отражалась от поверхности. Этот свет оказал значительное влияние на общий оттенок Земли.

В таких условиях эволюционировали цианобактерии. Им пришлось адаптироваться к доступному свету. Они развили дополнительные пигменты, которые улавливали зеленые лучи для фотосинтеза. Эти пигменты помогали бактериям выживать в уникальной среде. Со временем цианобактерии начали выделять кислород, который вступал в реакцию с растворенным в океане железом, образуя оксиды железа, тяжелые частицы которых оседали на дно.

Зеленый период Земли завершился примерно 600 миллионов лет назад, когда кислород, вырабатываемый бактериями, полностью окислил железо в океане. Следы этого события сохранились в виде полосчатых железных руд — слоев окислов в древних породах.

Со временем вода стала прозрачной, зеленый оттенок исчез, и Земля постепенно «переоделась» в бледно-голубой цвет, который видят из космоса аппараты. Современный цвет Земли — это результат не только океанов, но и атмосферы. Рэлеевское рассеяние (явление, при котором синий свет сильнее рассеивается в воздухе) окрашивает небо в голубой цвет, смешиваясь с темно-синим цветом океанов.

Тем не менее, даже сегодня в прибрежных водах, где много органики (листья, водоросли, ил), вода часто кажется зеленоватой. Органика поглощает синий свет, оставляя зеленый для цианобактерий, которые продолжают использовать его для фотосинтеза. Кроме того, зеленый оттенок океанов служит подсказкой для астрономов: если далекая экзопланета кажется зеленой, возможно, там существуют свои «цианобактерии», которые окисляют металлы в воде.

Научная работа команды Мацуо опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.