Nová studie ukazuje, že kyslíková fotosyntéza se pravděpodobně vyvinula mezi 3.4 a 2.9 miliardami let.
Nějakou dobu v rané historii Země se planeta obrátila směrem k obyvatelnosti, když skupina podnikavých mikrobů známých jako sinice vyvinula kyslíkovou fotosyntézu – schopnost přeměnit světlo a vodu na energii a uvolňovat přitom kyslík.
Tento evoluční moment umožnil, aby se kyslík nakonec hromadil v atmosféře a oceánech, což vyvolalo dominový efekt diverzifikace a tvarování jedinečně obyvatelné planety, kterou dnes známe.
Teď, MIT vědci mají přesný odhad, kdy poprvé vznikly sinice a kyslíková fotosyntéza. Jejich výsledky byly zveřejněny 29. září 2021 v Proceedings of the Royal Society B.
Vyvinuli novou techniku genové analýzy, která ukazuje, že všechny dnes žijící druhy sinic lze vysledovat zpět ke společnému předku, který se vyvinul asi před 2.9 miliardami let. Zjistili také, že předchůdci sinic se oddělili od jiných bakterií asi před 3.4 miliardami let, přičemž kyslíková fotosyntéza se pravděpodobně vyvíjela během půl miliardy let, během Archean Eon.
Vědci z MIT odhadují, že kyslíková fotosyntéza – schopnost přeměnit světlo a vodu na energii a uvolňovat kyslík – se na Zemi poprvé vyvinula před 3.4 až 2.9 miliardami let. Kredit: MIT News, iStockphoto
Zajímavé je, že tento odhad umisťuje výskyt kyslíkové fotosyntézy nejméně 400 milionů let před Velkou oxidační událost, období, kdy zemská atmosféra a oceány poprvé zaznamenaly nárůst kyslíku. To naznačuje, že sinice mohly brzy vyvinout schopnost produkovat kyslík, ale že chvíli trvalo, než se tento kyslík v prostředí skutečně uchytil.
„V evoluci věci vždy začínají v malém,“ říká hlavní autor Greg Fournier, docent geobiologie na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetách MIT. "I když existují důkazy o rané kyslíkové fotosyntéze - což je nejdůležitější a skutečně úžasná evoluční inovace na Zemi - trvalo stovky milionů let, než se rozběhla."
Mezi spoluautory Fournierovy MIT patří Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper a Tanja Bosak.
Pomalá pojistka nebo lesní požár?
Odhady původu kyslíkové fotosyntézy se značně liší spolu s metodami, jak sledovat její vývoj.
Vědci mohou například pomocí geochemických nástrojů hledat stopy oxidovaných prvků ve starověkých horninách. Tyto metody našly náznaky, že kyslík byl přítomen již před 3.5 miliardami let – což je známkou toho, že zdrojem mohla být kyslíková fotosyntéza, i když jsou možné i jiné zdroje.
Vědci také použili datování pomocí molekulárních hodin, které dnes využívá genetické sekvence mikrobů ke zpětnému sledování změn v genech v průběhu evoluční historie. Na základě těchto sekvencí pak výzkumníci používají modely k odhadu rychlosti, s jakou dochází ke genetickým změnám, ke sledování, kdy se skupiny organismů poprvé vyvinuly. Ale datování molekulárních hodin je omezeno kvalitou starověkých fosilií a zvoleným modelem rychlosti, který může produkovat různé odhady stáří v závislosti na předpokládané rychlosti.
Fournier říká, že různé odhady věku mohou znamenat protichůdné evoluční příběhy. Některé analýzy například naznačují, že kyslíková fotosyntéza se vyvinula velmi brzy a postupovala „jako pomalá fúze“, zatímco jiné naznačují, že se objevila mnohem později a pak „vzlétla jako požár“, aby spustila Velkou oxidační událost a akumulaci kyslíku v biosféře. .
"Abychom porozuměli historii obyvatelnosti na Zemi, je pro nás důležité rozlišovat mezi těmito hypotézami," říká.
Horizontální geny
Aby bylo možné přesně datovat původ sinic a kyslíkové fotosyntézy, Fournier a jeho kolegové spárovali datování molekulárních hodin s horizontálním přenosem genů – nezávislou metodou, která se zcela nespoléhá na fosilie nebo odhady rychlosti.
Normálně organismus zdědí gen „vertikálně“, když je předán od rodiče organismu. Ve vzácných případech může gen také přeskočit z jednoho druhu na jiný, vzdáleně příbuzný druh. Například jedna buňka může požírat jinou a v tomto procesu začlenit do svého genomu některé nové geny.
Když se najde taková horizontální historie přenosu genů, je jasné, že skupina organismů, která gen získala, je evolučně mladší než skupina, ze které gen pochází. Fournier usoudil, že takové případy by mohly být použity k určení relativního věku mezi určitými skupinami bakterií. Věk těchto skupin by pak mohl být porovnán s věkem, který předpovídají různé modely molekulárních hodin. Model, který se nejvíce blíží, by byl pravděpodobně nejpřesnější a mohl by pak být použit k přesnému odhadu věku jiných bakteriálních druhů - konkrétně sinic.
Na základě této úvahy tým hledal případy horizontálního přenosu genů napříč genomy tisíců bakteriálních druhů, včetně sinic. Použili také nové kultury moderních sinic odebrané Bosakem a Moorem, aby přesněji použili fosilní sinice jako kalibrace. Nakonec identifikovali 34 jasných případů horizontálního přenosu genů. Poté zjistili, že jeden ze šesti modelů molekulárních hodin konzistentně odpovídal relativnímu věku identifikovanému v týmové analýze horizontálního přenosu genů.
Fournier provedl tento model, aby odhadl věk „korunové“ skupiny sinic, která zahrnuje všechny dnes žijící druhy a známé tím, že vykazují kyslíkovou fotosyntézu. Zjistili, že během archejského eonu vznikla skupina koruny asi před 2.9 miliardami let, zatímco sinice jako celek se oddělily od jiných bakterií asi před 3.4 miliardami let. To silně naznačuje, že kyslíková fotosyntéza probíhala již 500 milionů let před Velkou oxidační událostí (GOE) a že sinice produkovaly kyslík poměrně dlouhou dobu, než se nahromadil v atmosféře.
Analýza také odhalila, že krátce před GOE, asi před 2.4 miliardami let, zažily sinice prudký nárůst diverzifikace. To znamená, že rychlá expanze sinic mohla naklonit Zemi do GOE a vypustit kyslík do atmosféry.
„Tento nový článek vrhá zásadní nové světlo na historii okysličování Země tím, že novým způsobem přemosťuje fosilní záznamy s genomickými daty, včetně horizontálních přenosů genů,“ říká Timothy Lyons, profesor biogeochemie na University of California v Riverside. "Výsledky hovoří o počátcích biologické produkce kyslíku a jejím ekologickém významu způsoby, které poskytují zásadní omezení vzorců a kontrol nejranějšího okysličování oceánů a pozdější akumulace v atmosféře."
Fournier plánuje použít horizontální přenos genů mimo sinice, aby zjistil původ dalších nepolapitelných druhů.
"Tato práce ukazuje, že molekulární hodiny obsahující horizontální přenosy genů (HGT) slibují spolehlivě poskytnout věk skupin napříč celým stromem života, dokonce i pro starověké mikroby, které nezanechaly žádné fosilní záznamy... něco, co bylo dříve nemožné," říká Fournier.
Odkaz: „Archejský původ kyslíkové fotosyntézy a existující linie sinic“ od GP Fourniera, KR Moorea, LT Rangela, JG Payette, L. Mompera a T. Bosaka, 29. září 2021, Proceedings of the Royal Society B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Tento výzkum byl částečně podporován Simons Foundation a National Science Foundation.
