Обнаруженная сегодня только в бактериях, нитрогеназа, тем не менее, необходима для производства кислорода из воды в процессе фотосинтеза, что делает ее важной в том, как водные бактерии производили первый на Земле молекулярный кислород 2.5 миллиардов лет назад.
"За половину земных 4.За 6 миллиардов лет существования атмосфера содержала только углекислый газ и азот без кислорода, но это изменилось, когда цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли, начали производить первый кислород с помощью нитрогеназы.
Это привело к Великому окислительному событию ", – пояснил автор исследования профессор Джон Аллен (UCL Genetics, Evolution & Environment).
"Но вместо того, чтобы постоянно расти, уровень кислорода в атмосфере стабилизировался на уровне 2% по объему в течение примерно двух миллиардов лет, а затем повысился до сегодняшнего уровня 21%.
Причины этого давно обсуждаются учеными, и мы думаем, что наконец нашли простой, но надежный ответ."
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Trends in Plant Sciences исследователями из UCL, Лондонского университета королевы Марии и Дюссельдорфского университета им. Генриха Гейне, впервые предполагает, что атмосферный кислород, производимый с помощью нитрогеназы, блокирует работу фермента.
Эта петля отрицательной обратной связи предотвратила дальнейшее производство кислорода и инициировала длительный период застоя в истории Земли около двух лет.4 миллиарда лет назад.
Протерозойский эон, длящийся почти два миллиарда лет, практически не претерпел изменений в эволюции жизни, состава океана и атмосферы, а также климата, что заставило некоторых назвать его «скучным миллиардом».
«Есть много идей о том, почему уровень кислорода в атмосфере стабилизировался на уровне 2% в течение такого невероятно длительного периода времени, включая реакцию кислорода с ионами металлов, но, что примечательно, ключевая роль нитрогеназы полностью упускается из виду», – сказал соавтор исследования профессор Уильям Мартин (Университет им. Генриха Гейне, Дюссельдорф).
«Наша теория – единственная, которая объясняет глобальное влияние на производство кислорода в течение такого длительного периода времени и объясняет, почему он смог подняться до уровней, которые мы видим сегодня, что способствует эволюции жизни на Земле."
Команда говорит, что цикл отрицательной обратной связи закончился только тогда, когда растения завоевали землю около 600 миллионов лет назад.
Когда появились наземные растения, их производящие кислород клетки в листьях были физически отделены от клеток, содержащих нитрогеназу, в почве.
Это разделение позволило кислороду накапливаться без ингибирования нитрогеназы.
Эта теория подтверждается свидетельствами в летописи окаменелостей, которые показывают, что цианобактерии начали защищать нитрогеназу в выделенных клетках, называемых гетероцистами, около 408 миллионов лет назад, когда уровень кислорода уже повышался в результате фотосинтеза в наземных растениях.
«Нитрогеназа необходима для жизни и процесса фотосинтеза, поскольку она превращает азот в воздухе в аммиак, который используется для производства белков и нуклеиновых кислот», – сказала соавтор госпожа Бренда Тэйк (Лондонский университет королевы Марии).
"Изучая цианобактерии в лабораторных условиях, мы знаем, что нитрогеназа перестает работать при более чем 10% текущих атмосферных уровнях, что составляет 2% по объему, поскольку фермент быстро разрушается кислородом. Несмотря на то, что это было известно биологам, до сих пор его не называли причиной одной из великих загадок Земли."
Работа финансировалась Leverhulme Trust, European Research Council, Volkswagen Foundation и German Research Foundation (DFG).