Способность генерировать кислород посредством фотосинтеза - полезной услуги, выполняемой растениями и водорослями, делающей возможной жизнь людей и животных на Земле - развилась лишь однажды, примерно 2,3 миллиарда лет назад, у некоторых видов цианобактерий. Насколько можно судить, это биологическое изобретение, изменившее планету, никогда не было продублировано. Вместо этого, согласно эндосимбиотической теории, все «зеленые» организмы, производящие кислород (растения и водоросли), просто включили цианобактерии в состав своих клеток в какой-то момент своей эволюции.
«Кислородный фотосинтез был эволюционной особенностью», - говорит Вудворд Фишер, профессор геобиологии в Калифорнийском технологическом институте, имея в виду процесс, посредством которого некоторые организмы используют энергию солнечного света для преобразования углекислого газа и воды в сахар для пищи с кислородом. как побочный продукт.«Цианобактерии изобрели его, а затем в конечном итоге стали хлоропластами водорослей. Растения - это просто группа водорослей, которые передвигались по суше».
Тем не менее, несмотря на то, что цианобактерии формируют мир, о них известно относительно немного. Еще пару десятков лет назад таксономисты называли их «сине-зелеными водорослями», хотя позже выяснилось, что это вовсе не водоросли, а совершенно другой тип организма. По словам Фишера, отсутствие таксономического понимания делало разгадку загадки их эволюции практически невозможной.
«Долгое время они были просто отдельной группой. У нас не было ответа, откуда они взялись или с какими другими организмами они связаны», - говорит Фишер. «Представьте, что вы пытаетесь понять что-то об эволюции человека, не зная о человекообразных обезьянах».
Публикация в журнале Science от 30 марта, Фишер и его коллеги из Калифорнийского технологического института и Университета Квинсленда в Австралии, наконец, конкретизировали генеалогическое древо цианобактерий. Они добавили геномы 41 некультивируемого микроорганизма, что помогло определить точную точку в эволюции цианобактерий, на которой возник оксигенный фотосинтез. 41 вид - это все типы цианобактерий, но ни один из них не несет гены фотосинтеза, и поэтому они не производят органическое вещество, как это делают водоросли и растения. Скорее, они его потребляют.
Фишер и его коллеги обнаружили, что единственная ветвь цианобактерий, получившая название Oxyphobacteria, вероятно, была первой и единственной группой, развившей оксигенный фотосинтез. Их ближайшие родственники, мелайнабактерии, живут в кишечнике животных (включая человека) среди других сред и не выделяют кислород. И хотя можно предположить, что мелайнабактерии просто утратили со временем способность вырабатывать кислород, следующие наиболее близкородственные цианобактерии после тех, которые описаны в статье как Sericytochromia, также не участвуют в оксигенном фотосинтезе.
«Это доказывает, что оксифобактерии были действительно единственными, кто когда-либо изобрел этот химический процесс формирования шара», - говорит Фишер.
41 новый вид относится как к Melainabacteria, так и к Sericytochromia, последняя из которых не была описана до этой статьи. Все названия этих организмов могут быть изменены по мере того, как систематики догоняют открытия команды. «Мы знаем, что они есть, и мы знаем их генный репертуар. Теперь мы можем начать помещать их в эволюционные деревья и предпринимать усилия по их изоляции и изучению их физиологии и экологии», - говорит Джеймс Хемп, докторант Агурона в Калифорнийском технологическом институте, когда было проведено исследование, и соавтор статьи в журнале Science.
Эти открытия были сделаны благодаря новой технологии, которая позволяет исследователям секвенировать геном организма без необходимости сначала изолировать этот организм в лаборатории и культивировать его большое количество, как это требовалось в прошлом.
«Теперь у нас есть независимые от культуры способы оценки микробного разнообразия», - говорит Рошель М. Су, научный сотрудник Университета Квинсленда в Австралии и соавтор статьи в журнале Science.«Мы можем войти в любую среду, взять образец ДНК, секвенировать его и восстановить геномы микробов, живущих в этой среде. Нам не нужно ничего выращивать самим - вместо этого мы позволяем среде делать всю работу и просто секвенируем то, что уже есть. там. Некоторые из 41 нового вида были обнаружены in situ, например, в кишечнике животных, в то время как другие были взяты из баз данных других биологических исследований, образцы которых были отобраны, но никогда не были охарактеризованы и проанализированы..
Разгадка эволюционной тайны фотосинтеза и его происхождения может пролить свет на все, от устойчивых источников энергии до возможности существования жизни на других планетах.
Цианобактерии - инженеры планетарного масштаба, способные расщеплять воду. Они изобрели самую сложную химию на планете. производить топливо, и эти ребята придумали, как это делать два с половиной миллиарда лет назад», - говорит Фишер.
Далее команда планирует узнать больше об экологии и физиологии новых бактерий, исследуя их в лаборатории. «На самом деле мы только коснулись поверхности», - говорит Фишер.