Предки основных групп видов животных начали заселять Землю более чем на 600 миллионов лет раньше, чем свидетельствуют их ископаемые останки, согласно крупнейшему исследованию на эту тему с использованием генных последовательностей, недавно завершенному в Пенсильванском университете. Исследование предполагает, что животные неуклонно эволюционировали в разные виды в течение как минимум 1200 миллионов лет, что бросает вызов популярной теории, известной как кембрийский взрыв, которая предполагает внезапное появление большинства основных групп животных, известных как типы, 530 миллионов лет назад. Статья с описанием исследования будет опубликована 22 января 1999 года в журнале Proceedings of the Royal Society of London (серия B) студентом бакалавриата Penn State Дэниелом И.-С. Ван, научный сотрудник Судхир Кумар и адъюнкт-профессор биологии С. Блэр Хеджес.
Чтобы оценить скорость эволюции, исследовательская группа проверила сотни последовательностей генов, чтобы найти те, в которых мутации развивались с постоянной скоростью с течением времени. «Поскольку мутации в этих генах начинают происходить через равные промежутки времени, как только появляется новый вид - как тиканье часов, - мы можем использовать их, чтобы проследить эволюционную историю вида до его фактического времени происхождения», - объясняет Хеджес.
Сравнивая отдельные гены у пар видов, исследователи определили 75 ядерных генов, которые накапливали мутации с довольно постоянной скоростью по отношению друг к другу в ходе своей эволюции. Гены принадлежали видам, представляющим три основные таксономические группы, или типы, животных (членистоногие, хордовые и нематоды), а также растения и грибы.
Учёные затем откалибровали эти молекулярные часы по эволюционному событию, хорошо установленному исследованиями окаменелостей - расхождению птиц и млекопитающих около 310 миллионов лет назад.«Часы бесполезны, если они не откалиброваны на время, с которым согласны все, - объясняет Хеджес, - и почти все согласны с датой появления рептильных предков птиц и млекопитающих, потому что она основана на общепринятых представлениях». исследования окаменелостей». Используя эту дату в качестве надежной точки калибровки, а скорость мутаций для каждого из генов с постоянной скоростью в качестве устройства для измерения времени, исследователи смогли определить, как давно возник каждый из видов..
«Все эти гены не только говорят нам, что множество видов животных по крайней мере трех типов уже существовало на Земле за миллионы лет до того, как их окаменелости начали появляться, - говорит Хеджес, - но они также говорят нам, когда три основных царства живых существ - животные, растения и грибы - сначала отделились от общего предка и начали развиваться по разным эволюционным путям». По словам Хеджеса, эта дата - около 1,6 миллиарда лет назад - является самой ранней, полученной с помощью исследований генов для этого эволюционного события.
Команда штата Пенсильвания использовала более чем в два раза больше генов для определения происхождения трех основных типов животных, чем использовалось в любом другом исследовании с тех пор, как последовательности генов впервые стали доступны в общедоступных базах данных Genbank, поддерживаемых Национальными институтами. здравоохранения (NIH) в 1970-х годах. «Мы хотели иметь так много данных, чтобы выводы из нашего исследования этого спорного вопроса могли быть очень надежными», - комментирует Хеджес. Более ранние исследования с использованием гораздо меньшего количества генов беспокоили некоторых исследователей, поскольку они давали широкий диапазон дат происхождения видов животных, хотя все исследования генов соглашались, что это событие произошло задолго до кембрийского периода. «Наша методология и наш больший набор данных должны были иметь стабилизирующий эффект, и фактически наше исследование привело к дате, промежуточной между более ранними оценками», - говорит Хеджес.
Если результаты генетического исследования его команды верны, Хеджес говорит, что научный вопрос должен измениться с «Как все эти виды эволюционировали так внезапно в начале кембрийского периода?» на «Почему мы не видим окаменелостей этих видов задолго до кембрийского периода?» Среди предлагаемых ответов есть то, что изменения в атмосфере Земли привели к развитию твердого внешнего скелета у животных, которые до кембрийского периода имели только мягкий внешний скелет.«Твердые части тела, такие как внешние скелеты, скорее всего, станут окаменелостями», - объясняет Хеджес. Виды, которые вряд ли превратятся в окаменелости, такие как дождевые черви, обычно живут и умирают, не оставляя следов своего существования, за исключением генов их потомков.
Другая гипотеза состоит в том, что многие виды животных со скелетами жили на Земле до кембрийского периода, но они были настолько малы, что их окаменелости до сих пор не найдены. «Чем дальше в прошлое вы хотите заглянуть в летопись окаменелостей, тем меньше мест на Земле для поиска», - объясняет Хеджес. Окаменелости должны быть надежно заключены в осадочную породу, которая со временем плавится или деформируется в результате движения земной коры. Осадочные породы возрастом более 3 миллиардов лет встречаются очень редко. «Если мы сможем найти очень старые и очень мелкозернистые фосфатные отложения, которые могут сохранить даже мягкие тела, у нас может быть потенциал для обнаружения окаменелостей этих ранних животных, даже если они были микроскопического размера», - говорит Хеджес.«Кажется, нам не хватает окаменелостей многих видов».
Хеджес говорит, что его исследования могут быть полезны для поиска жизни на других планетах. «Если мы сможем узнать, когда на Земле развивались разные стадии жизни, мы сможем сравнить эти даты с событиями химической эволюции земной атмосферы и океана, например, с увеличением количества кислорода и других важных газов», - объясняет Хеджес. Исследования с этой целью являются важным направлением в Исследовательском центре астробиологии штата Пенсильвания. «Наша цель - посмотреть, может ли ранняя история жизни на Земле дать нам ключ к тому, как предсказать жизнь на других планетах и в других солнечных системах», - говорит Хеджес. «Мы надеемся, что сможем предсказать виды форм жизни, которые могут существовать на других планетах, основываясь на тех, которые существовали в истории Земли, просто измеряя химический состав атмосферы планеты».