Для подавляющего большинства животных на Земле дыхание является синонимом жизни. Однако в течение первых 2 миллиардов лет существования нашей планеты кислород был в дефиците. Это не означает, что Земля все это время была безжизненной, но эта жизнь была более редкой и сильно отличалась от того, что мы знаем сегодня. Только когда на сцену вышли более сложные бактерии, способные к фотосинтезу, все начало меняться, вызвав то, что ученые называют «Великое кислородное событие». Но когда все это произошло? И как все это вышло?
Новый метод анализа генов дал намек на новую временную шкалу. По оценкам, бактериям потребовалось 400 миллионов лет поглощения солнечного света и выдыхания кислорода, прежде чем жизнь смогла по-настоящему процветать.
Другими словами, на нашей планете, вероятно, существовали организмы, способные к фотосинтезу, задолго до Великого кислородного события (кислородной революции).
«В эволюции все всегда начинается с малого», - объясняет геобиолог Грег Фурнье из Массачусетского технологического института.
«Несмотря на то, что есть свидетельства раннего кислородного фотосинтеза, который является самым важным и действительно удивительным эволюционным нововведением на Земле, ему потребовались сотни миллионов лет, чтобы он взлетел».
В настоящее время существуют две конкурирующие версии, объясняющие эволюцию фотосинтеза у особых бактерий, известных как цианобактерии. Некоторые думают, что естественный процесс превращения солнечного света в энергию появился на эволюционной сцене довольно рано, но он прогрессировал с «медленным запалом». Другие считают, что фотосинтез развился позже, но «разлетелся как лесной пожар».
Большая часть разногласий сводится к предположениям о скорости, с которой развиваются бактерии, и различным интерпретациям летописи окаменелостей.
Итак, Фурнье и его коллеги добавили еще одну форму анализа к этому миксу. В редких случаях, бактерия может наследовать гены не от своих родителей, а от другого отдаленно родственного вида. Это может произойти, когда одна клетка «ест» другую и включает гены другой в свой геном.
Ученые могут использовать эту информацию для определения относительного возраста различных групп бактерий; например, те, которые украли гены, должны были отобрать их у видов, существовавших одновременно с ними.
Такие отношения затем можно сравнить с более конкретными попытками датирования, такими как модели молекулярных часов, которые используют генетические последовательности организмов для отслеживания истории генетических изменений.
С этой целью исследователи прочесали геномы тысяч видов бактерий, включая цианобактерии. Они искали случаи горизонтального переноса генов.
В сумме, они выделили 34 наглядных примера. При сравнении этих примеров с шестью моделями молекулярных часов, авторы обнаружили, что одна из них наиболее последовательно и точно подходит. Выбрав эту модель из микса, команда провела оценки, чтобы выяснить, сколько лет на самом деле фотосинтезирующим бактериям.
Результаты показывают, что все виды цианобактерий, живущие сегодня, имеют общего предка, который существовал около 2,9 миллиарда лет назад. Между тем, предки этих предков произошли от нефотосинтезирующих бактерий примерно 3,4 миллиарда лет назад.
Фотосинтез, вероятно, развился где-то между этими двумя датами.
Согласно предпочтительной эволюционной модели команды, цианобактерии, вероятно, фотосинтезировали по крайней мере за 360 миллионов лет до Великого кислородного события. Если они правы, это еще раз подтверждает гипотезу «медленного запала».
«Эта новая статья проливает новый свет на историю оксигенации Земли, по-новому соединяя летопись окаменелостей с геномными данными, включая горизонтальный перенос генов», - говорит биогеохимик Тимоти Лайонс из Калифорнийского университета в Риверсайде.
«Результаты говорят об истоках биологического производства кислорода и его экологическом значении таким образом, чтобы обеспечить жизненно важные ограничения для моделей и контроля о самом раннем насыщении океанов кислородом и более поздних накоплениях в атмосфере».
Авторы надеются использовать аналогичные методы анализа генов для анализа организмов, отличных от цианобактерий, в будущем.
Исследование было опубликовано в Proceedings of the Royal Society B.
Источник: MIT
