Відповіді на це питання науковці знайшли в гарячих джерелах Японії, багатих на залізо. Саме там дослідники виявили мікробні екосистеми, що нагадують умови на Землі задовго до появи складних форм життя. Дослідження, проведене Інститутом науки про Землю та життя (ELSI), показує, як примітивні організми могли пристосовуватися до змінного середовища.

Приблизно 2,3 мільярда років тому атмосфера Землі зазнала радикальних змін — з’явився кисень. Це стало можливим завдяки діяльності ціанобактерій, крихітних організмів, які використовували сонячне світло для фотосинтезу, перетворюючи вуглекислий газ і воду на кисень і глюкозу. Проте для більшості мікроорганізмів того часу кисень був смертельним. Велика киснева подія майже знищила анаеробні форми життя, відкривши шлях для тих, хто міг виживати в нових умовах. Деякі мікроорганізми змогли адаптуватися, і розуміння цього процесу може дати уявлення про те, як життя здатне виживати в екстремальних умовах — як на Землі, так і поза її межами.

Гарячі джерела Японії стали природною лабораторією для вивчення мікробних екосистем, які могли існувати на ранній Землі. Вони багаті на двовалентне залізо і мають низький вміст кисню — ідеальні умови для дослідження життя в період переходу від архейської до протерозойської ери. Команда дослідників під керівництвом Фатіми Лі-Хау вивчала п’ять різних джерел, щоб зрозуміти, як життя адаптувалося до змін, спричинених Великою кисневою подією. За словами Шона МакҐлінна, доцента ELSI, ці джерела дозволяють побачити, як були структуровані примітивні мікробні спільноти до появи рослин, тварин і значного збагачення атмосфери киснем. Завдяки цим даним науковці можуть поступово відтворити картину того, як життя долало виклики швидких змін середовища.

У гарячих джерелах дослідники виявили активні спільноти мікроаерофільних бактерій, що окислюють залізо. Ці бактерії використовують залізо як джерело енергії — процес, який, ймовірно, є одним із найдавніших біологічних механізмів на Землі. На чотирьох із п’яти досліджених ділянок саме ці бактерії домінували, що свідчить про здатність життя виживати в умовах обмеженого доступу до кисню. Ціанобактерії, які виробляють кисень під час фотосинтезу, були присутні в меншій кількості, що вказує на можливість співіснування з киснем у контрольованих обсягах. Як зазначає Фатіма Лі-Хау, попри різницю в геохімії та складі мікробних спільнот, у присутності заліза та обмеженого кисню стабільно співіснують мікроаерофільні окислювачі заліза, фототрофи та анаероби, підтримуючи повні біогеохімічні цикли.

Одним із найцікавіших відкриттів стало виявлення часткового сірчаного циклу в мікробних спільнотах джерел. Хоча в самих джерелах було мало сірчаних сполук, мікроорганізми, схоже, здійснювали сірчаний обмін — важливий біогеохімічний процес. Такий «криптичний» сірчаний цикл свідчить про здатність мікробів виконувати функції, які раніше вважалися можливими лише за наявності великої кількості сірки. Це відкриття відкриває нові напрями досліджень щодо того, як життя адаптувалося до обмежених ресурсів під час Великої кисневої події, і може привести до розуміння невідомих метаболічних шляхів.

За словами Лі-Хау, вивчення сучасних аналогових середовищ дозволяє отримати детальне уявлення про метаболічний потенціал і склад спільнот, що мають відношення до умов ранньої Землі. Ці знання про сірчаний обмін в екстремальних умовах можуть дати підказки щодо того, як життя виживало в перші дні існування планети, а також як воно може процвітати в подібних умовах на інших небесних тілах, таких як Марс або крижані супутники Юпітера і Сатурна.