’n Nuwe studie toon dat suurstoffotosintese waarskynlik tussen 3.4 en 2.9 miljard jaar gelede ontwikkel het.
'n Geruime tyd in die vroeë geskiedenis van die Aarde het die planeet 'n wending na bewoonbaarheid geneem toe 'n groep ondernemende mikrobes bekend as sianobakterieë suurstoffotosintese ontwikkel het - die vermoë om lig en water in energie te verander en suurstof in die proses vry te stel.
Hierdie evolusionêre oomblik het dit moontlik gemaak dat suurstof uiteindelik in die atmosfeer en oseane ophoop, wat 'n domino-effek van diversifikasie veroorsaak het en die unieke bewoonbare planeet wat ons vandag ken, gevorm het.
Nou, MIT wetenskaplikes het 'n presiese skatting vir wanneer sianobakterieë, en suurstoffotosintese, die eerste keer ontstaan het. Hul resultate is op 29 September 2021 gepubliseer in die Verrigtinge van die Royal Society B.
Hulle het 'n nuwe geen-ontledingstegniek ontwikkel wat toon dat al die spesies sianobakterieë wat vandag leef, teruggevoer kan word na 'n gemeenskaplike voorouer wat ongeveer 2.9 miljard jaar gelede ontwikkel het. Hulle het ook gevind dat die voorouers van sianobakterieë ongeveer 3.4 miljard jaar gelede van ander bakterieë vertak het, met suurstoffotosintese wat waarskynlik gedurende die tussenliggende halfmiljard jaar tydens die Argeaanse Eon ontwikkel het.
Wetenskaplikes van MIT skat dat suurstoffotosintese - die vermoë om lig en water in energie te verander en suurstof vry te stel - tussen 3.4 en 2.9 miljard jaar gelede vir die eerste keer op Aarde ontwikkel het. Krediet: MIT News, iStockphoto
Interessant genoeg plaas hierdie skatting die verskyning van suurstoffotosintese minstens 400 miljoen jaar voor die Groot Oksidasiegebeurtenis, 'n tydperk waarin die Aarde se atmosfeer en oseane die eerste keer 'n styging in suurstof ervaar het. Dit dui daarop dat sianobakterieë moontlik vroegtydig die vermoë ontwikkel het om suurstof te produseer, maar dat dit 'n rukkie geneem het voordat hierdie suurstof werklik in die omgewing posgevat het.
"In evolusie begin dinge altyd klein," sê hoofskrywer Greg Fournier, medeprofessor in geobiologie in MIT se Departement van Aarde, Atmosferiese en Planetêre Wetenskappe. "Al is daar bewyse vir vroeë suurstoffotosintese - wat die enkele belangrikste en werklik ongelooflike evolusionêre innovasie op Aarde is - het dit steeds honderde miljoene jare geneem voordat dit opstyg."
Fournier se MIT-mede-outeurs sluit in Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper en Tanja Bosak.
Stadige lont, of veldbrand?
Skattings vir die oorsprong van suurstoffotosintese verskil baie, saam met die metodes om die evolusie daarvan na te spoor.
Wetenskaplikes kan byvoorbeeld geochemiese gereedskap gebruik om spore van geoksideerde elemente in antieke gesteentes te soek. Hierdie metodes het wenke gevind dat suurstof so vroeg as 3.5 miljard jaar gelede teenwoordig was - 'n teken dat suurstoffotosintese moontlik die bron was, hoewel ander bronne ook moontlik is.
Navorsers het ook molekulêre klokdatering gebruik, wat die genetiese volgordes van mikrobes vandag gebruik om veranderinge in gene deur evolusionêre geskiedenis terug te spoor. Gebaseer op hierdie rye, gebruik navorsers dan modelle om die tempo waarteen genetiese veranderinge plaasvind te skat, om op te spoor wanneer groepe organismes die eerste keer ontwikkel het. Maar molekulêre klokdatering word beperk deur die kwaliteit van antieke fossiele, en die gekose tempomodel, wat verskillende ouderdomskattings kan produseer, afhangende van die tempo wat aangeneem word.
Fournier sê verskillende ouderdomskattings kan teenstrydige evolusionêre narratiewe impliseer. Byvoorbeeld, sommige ontledings dui daarop dat suurstoffotosintese baie vroeg ontwikkel het en "soos 'n stadige lont" gevorder het, terwyl ander aandui dat dit baie later verskyn het en toe "soos 'n veldbrand opgestyg het" om die Groot Oksidasie Gebeurtenis en die ophoping van suurstof in die biosfeer te veroorsaak .
"Om die geskiedenis van bewoonbaarheid op aarde te verstaan, is dit vir ons belangrik om tussen hierdie hipoteses te onderskei," sê hy.
Horisontale gene
Om die oorsprong van sianobakterieë en suurstoffotosintese presies te dateer, het Fournier en sy kollegas molekulêre klokdatering met horisontale geenoordrag gekoppel - 'n onafhanklike metode wat nie heeltemal op fossiele of tempo-aannames staatmaak nie.
Normaalweg erf 'n organisme 'n geen "vertikaal" wanneer dit van die organisme se ouer oorgedra word. In seldsame gevalle kan 'n geen ook van een spesie na 'n ander, ver verwante spesies, spring. Een sel kan byvoorbeeld 'n ander eet, en in die proses 'n paar nuwe gene in sy genoom inkorporeer.
Wanneer so 'n horisontale geenoordraggeskiedenis gevind word, is dit duidelik dat die groep organismes wat die geen verkry het, evolusionêr jonger is as die groep waaruit die geen ontstaan het. Fournier het geredeneer dat sulke gevalle gebruik kan word om die relatiewe ouderdom tussen sekere bakteriese groepe te bepaal. Die ouderdomme vir hierdie groepe kan dan vergelyk word met die ouderdomme wat verskeie molekulêre klokmodelle voorspel. Die model wat die naaste kom, sal waarskynlik die akkuraatste wees, en kan dan gebruik word om die ouderdom van ander bakteriese spesies presies te skat - spesifiek sianobakterieë.
Na aanleiding van hierdie redenasie het die span gekyk na gevalle van horisontale geenoordrag oor die genome van duisende bakteriese spesies, insluitend sianobakterieë. Hulle het ook nuwe kulture van moderne sianobakterieë gebruik wat deur Bosak en Moore geneem is, om meer presies fossielsianobakterieë as kalibrasies te gebruik. Op die ou end het hulle 34 duidelike gevalle van horisontale geenoordrag geïdentifiseer. Hulle het toe gevind dat een uit ses molekulêre klokmodelle konsekwent ooreenstem met die relatiewe ouderdomme wat in die span se horisontale geenoordraganalise geïdentifiseer is.
Fournier het hierdie model gebruik om die ouderdom van die "kroon"-groep sianobakterieë te skat, wat al die spesies insluit wat vandag leef en bekend is om suurstoffotosintese te vertoon. Hulle het gevind dat die kroongroep gedurende die Argeaanse eon ongeveer 2.9 miljard jaar gelede ontstaan het, terwyl sianobakterieë in die geheel ongeveer 3.4 miljard jaar gelede van ander bakterieë afgetak het. Dit dui sterk daarop dat suurstoffotosintese reeds 500 miljoen jaar voor die Groot Oksidasiegebeurtenis (GOE) plaasgevind het, en dat sianobakterieë lank reeds suurstof geproduseer het voordat dit in die atmosfeer opgehoop het.
Die ontleding het ook aan die lig gebring dat sianobakterieë kort voor die GOE, ongeveer 2.4 miljard jaar gelede, 'n uitbarsting van diversifikasie ervaar het. Dit impliseer dat 'n vinnige uitbreiding van sianobakterieë die Aarde in die GOE kan laat kantel en suurstof in die atmosfeer gelanseer het.
"Hierdie nuwe artikel werp noodsaaklike nuwe lig op die aarde se oksigenasiegeskiedenis deur die fossielrekord op nuwe maniere te oorbrug met genomiese data, insluitend horisontale geenoordragte," sê Timothy Lyons, professor in biogeochemie aan die Universiteit van Kalifornië in Riverside. "Die resultate spreek van die begin van biologiese suurstofproduksie en die ekologiese betekenis daarvan, op maniere wat noodsaaklike beperkings op die patrone en kontroles op die vroegste oksigenasie van die oseane en latere ophopings in die atmosfeer bied."
Fournier beplan om horisontale geenoordrag verder as sianobakterieë toe te pas om die oorsprong van ander ontwykende spesies vas te stel.
"Hierdie werk toon dat molekulêre horlosies wat horisontale geenoordragte (HGT's) insluit, belowe om die ouderdomme van groepe oor die hele boom van die lewe betroubaar te voorsien, selfs vir antieke mikrobes wat geen fossielrekord gelaat het nie ... iets wat voorheen onmoontlik was," sê Fournier.
Verwysing: "The Archean origin of oxygenic photosinthesis and extant cyanobacterial lineages" deur GP Fournier, KR Moore, LT Rangel, JG Payette, L. Momper en T. Bosak, 29 September 2021, Verrigtinge van die Royal Society B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Hierdie navorsing is deels deur die Simons-stigting en die Nasionale Wetenskapstigting ondersteun.
