Некоторое время в ранней истории Земли планета стала пригодной для жизни, когда группа предприимчивых микробов, известных как цианобактерии, развила оксигенный фотосинтез - способность превращать свет и воду в энергию, высвобождая при этом кислород.
Этот эволюционный момент позволил кислороду в конечном итоге накопиться в атмосфере и океанах, вызвав эффект домино диверсификации и сформировав уникальную обитаемую планету, которую мы знаем сегодня.
Теперь у ученых Массачусетского технологического института есть точная оценка того, когда впервые возникли цианобактерии и оксигенный фотосинтез. Их результаты опубликованы в Proceedings of the Royal Society B..
Они разработали новый метод анализа генов, который показывает, что все виды цианобактерий, живущие сегодня, восходят к общему предку, который эволюционировал около 2,9 миллиарда лет назад. Они также обнаружили, что предки цианобактерий отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад, а оксигенный фотосинтез, вероятно, развился в течение промежуточных полумиллиардов лет, во время архейского эона.
Интересно, что эта оценка относит появление оксигенного фотосинтеза по крайней мере за 400 миллионов лет до Великого события окисления, периода, когда в атмосфере и океанах Земли впервые наблюдалось повышение содержания кислорода. Это говорит о том, что цианобактерии, возможно, рано развили способность производить кислород, но потребовалось некоторое время, чтобы этот кислород действительно закрепился в окружающей среде.
«В эволюции все всегда начинается с малого», - говорит ведущий автор Грег Фурнье, адъюнкт-профессор геобиологии на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Несмотря на то, что есть доказательства раннего оксигенного фотосинтеза, который является самым важным и действительно удивительным эволюционным нововведением на Земле, все же потребовались сотни миллионов лет, чтобы он начал развиваться».
Соавторы Фурнье из Массачусетского технологического института включают Келси Мур, Луис Тиберио Рангель, Джек Пайетт, Лили Момпер и Таня Босак.
Медленный фитиль или лесной пожар?
Оценки происхождения оксигенного фотосинтеза сильно различаются, как и методы отслеживания его эволюции.
Например, ученые могут использовать геохимические инструменты для поиска следов окисленных элементов в древних горных породах. Эти методы обнаружили намеки на то, что кислород присутствовал еще 3,5 миллиарда лет назад, что свидетельствует о том, что источником мог быть оксигенный фотосинтез, хотя возможны и другие источники..
Исследователи также использовали молекулярные часы для датирования, которые используют генетические последовательности современных микробов, чтобы проследить изменения в генах на протяжении истории эволюции. На основе этих последовательностей исследователи затем используют модели для оценки скорости, с которой происходят генетические изменения, чтобы проследить, когда группы организмов впервые эволюционировали. Но датирование молекулярными часами ограничено качеством древних окаменелостей и выбранной моделью скорости, которая может давать разные оценки возраста в зависимости от предполагаемой скорости.
Фурнье говорит, что разные оценки возраста могут подразумевать противоречивые эволюционные нарративы. Например, некоторые анализы предполагают, что оксигенный фотосинтез развился очень рано и развивался «как медленный предохранитель», в то время как другие указывают, что он появился намного позже, а затем «вспыхнул, как лесной пожар», вызвав Великое событие окисления и накопление кислорода в биосфере..
«Чтобы понять историю обитаемости на Земле, нам важно различать эти гипотезы», - говорит он.
Горизонтальные гены
Чтобы точно датировать происхождение цианобактерий и оксигенного фотосинтеза, Фурнье и его коллеги объединили датировку по молекулярным часам с горизонтальным переносом генов - независимый метод, который не полностью полагается на ископаемые или предположения о скорости.
Обычно организм наследует ген «вертикально», когда он передается от родителя организма. В редких случаях ген может также переходить от одного вида к другому, отдаленно родственному виду. Например, одна клетка может съесть другую и при этом включить в свой геном новые гены.
Когда обнаруживается такая история горизонтального переноса генов, становится ясно, что группа организмов, приобретших ген, эволюционно моложе группы, из которой ген произошел. Фурнье рассудил, что такие случаи можно использовать для определения относительного возраста определенных групп бактерий. Затем возраст этих групп можно было бы сравнить с возрастом, предсказываемым различными моделями молекулярных часов. Ближайшая модель, вероятно, будет наиболее точной, и ее можно будет использовать для точной оценки возраста других видов бактерий, в частности, цианобактерий.
Следуя этим рассуждениям, команда искала случаи горизонтального переноса генов в геномах тысяч видов бактерий, включая цианобактерии. Они также использовали новые культуры современных цианобактерий, взятые Босаком и Муром, чтобы более точно использовать ископаемые цианобактерии в качестве калибровок. В конце концов, они выявили 34 явных случая горизонтального переноса генов. Затем они обнаружили, что одна из шести моделей молекулярных часов постоянно соответствует относительному возрасту, определенному в анализе горизонтального переноса генов.
Фурнье использовал эту модель, чтобы оценить возраст «коронной» группы цианобактерий, которая включает в себя все виды, живущие сегодня и известные своим оксигенным фотосинтезом. Они обнаружили, что во время архейского эона группа кроны возникла около 2,9 миллиарда лет назад, а цианобактерии в целом отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад. Это убедительно свидетельствует о том, что оксигенный фотосинтез уже происходил за 500 миллионов лет до Великого события окисления (ВОК) и что цианобактерии производили кислород в течение довольно долгого времени, прежде чем он аккумулировался в атмосфере.
Анализ также показал, что незадолго до GOE, около 2,4 миллиарда лет назад, цианобактерии испытали всплеск разнообразия. Это означает, что быстрое распространение цианобактерий могло привести к тому, что Земля погрузилась в GOE и выбросила кислород в атмосферу.
Фурнье планирует применить горизонтальный перенос генов помимо цианобактерий, чтобы установить происхождение других неуловимых видов.
"Эта работа показывает, что молекулярные часы, включающие горизонтальный перенос генов (HGT), обещают надежно определить возраст групп по всему древу жизни, даже для древних микробов, не оставивших летописи окаменелостей… то, что раньше было невозможно ", - говорит Фурнье.