Egy új tanulmány szerint az oxigénes fotoszintézis valószínűleg 3.4 és 2.9 milliárd évvel ezelőtt alakult ki.
A Föld korai történelmében a bolygó a lakhatóság felé fordult, amikor a cianobaktériumok néven ismert vállalkozó mikrobák egy csoportja kifejlesztette az oxigénes fotoszintézist – azt a képességet, hogy a fényt és a vizet energiává alakítsa, és közben oxigént szabadítson fel.
Ez az evolúciós pillanat tette lehetővé, hogy az oxigén végül felhalmozódjon a légkörben és az óceánokban, elindítva a diverzifikáció dominóeffektusát, és kialakítva a ma ismert, egyedülállóan lakható bolygót.
Most, MIT A tudósoknak pontos becslésük van arról, hogy mikor keletkeztek először a cianobaktériumok és az oxigénes fotoszintézis. Eredményeiket 29. szeptember 2021-én tették közzé A Royal Society B.
Új génelemző technikát fejlesztettek ki, amely azt mutatja, hogy a ma élő cianobaktériumok összes faja egy közös ősre vezethető vissza, amely körülbelül 2.9 milliárd évvel ezelőtt alakult ki. Azt is megállapították, hogy a cianobaktériumok ősei más baktériumoktól ágaztak el körülbelül 3.4 milliárd évvel ezelőtt, és az oxigénes fotoszintézis valószínűleg a közbenső félmilliárd év során, az archeai korszakban fejlődött ki.
Az MIT tudósai becslése szerint az oxigénes fotoszintézis – a fény és a víz energiává alakításának képessége, amely oxigént szabadít fel – először 3.4 és 2.9 milliárd évvel ezelőtt alakult ki a Földön. Köszönet: MIT News, iStockphoto
Érdekes módon ez a becslés az oxigénes fotoszintézis megjelenését legalább 400 millió évvel a Nagy Oxidációs Esemény előtti időszakra helyezi, amikor is a Föld légkörében és óceánjaiban először tapasztalt oxigénemelkedést. Ez arra utal, hogy a cianobaktériumok már korán kifejleszthették az oxigéntermelés képességét, de eltartott egy ideig, amíg ez az oxigén valóban megragadta magát a környezetben.
„Az evolúcióban a dolgok mindig kicsiben kezdődnek” – mondja Greg Fournier, a vezető szerző, az MIT Föld-, Légkör- és Bolygótudományi Tanszékének geobiológiai docense. „Bár bizonyítékok állnak rendelkezésre a korai oxigénes fotoszintézisre – amely a legfontosabb és igazán lenyűgöző evolúciós innováció a Földön –, mégis több száz millió évbe telt, mire felpattant.”
Fournier MIT-társszerzői közé tartozik Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper és Tanja Bosak.
Lassú biztosíték, vagy futótűz?
Az oxigénes fotoszintézis eredetére vonatkozó becslések, valamint az evolúció nyomon követésére szolgáló módszerek igen változatosak.
Például a tudósok geokémiai eszközökkel kereshetik az oxidált elemek nyomait az ősi kőzetekben. Ezek a módszerek arra utalnak, hogy az oxigén már 3.5 milliárd évvel ezelőtt jelen volt – ez annak a jele, hogy az oxigénes fotoszintézis lehetett a forrás, bár más források is lehetségesek.
A kutatók molekuláris kormeghatározást is alkalmaztak, amely a mai mikrobák genetikai szekvenciáit használja fel a gének változásainak visszakövetésére az evolúciós történelem során. Ezekre a szekvenciákra alapozva a kutatók modellek segítségével megbecsülik a genetikai változások bekövetkezésének sebességét, és nyomon követik, mikor alakultak ki először az élőlénycsoportok. A molekuláris óra kormeghatározását azonban korlátozza az ősi kövületek minősége és a választott sebességmodell, amely a feltételezett sebességtől függően különböző korbecsléseket adhat.
Fournier szerint a különböző korbecslések egymásnak ellentmondó evolúciós narratívákat sugallhatnak. Egyes elemzések például azt sugallják, hogy az oxigénes fotoszintézis nagyon korán fejlődött ki, és „lassú olvadásként” haladt előre, míg mások azt mutatják, hogy sokkal később jelent meg, majd „futótűzként indult el”, hogy elindítsa a nagy oxidációs eseményt és az oxigén felhalmozódását a bioszférában. .
„Ahhoz, hogy megértsük a Föld lakhatóságának történetét, fontos, hogy különbséget tegyünk e hipotézisek között” – mondja.
Vízszintes gének
A cianobaktériumok és az oxigénes fotoszintézis eredetének pontos megállapítása érdekében Fournier és munkatársai a molekuláris óra kormeghatározását párosították a vízszintes géntranszferrel – ez egy független módszer, amely nem támaszkodik teljes mértékben kövületekre vagy sebességfeltevésekre.
Normális esetben egy szervezet „függőlegesen” örököl egy gént, amikor azt a szervezet szülőjétől örökli. Ritka esetekben egy gén is átugorhat egyik fajról a másikra, távoli rokon fajra. Például az egyik sejt megeheti a másikat, és eközben néhány új gént beépíthet a genomjába.
Ha ilyen horizontális génátviteli történetet találunk, egyértelmű, hogy az élőlények csoportja, amely megszerezte a gént, evolúciósan fiatalabb, mint az a csoport, amelyből a gén származott. Fournier úgy érvelt, hogy az ilyen esetek felhasználhatók bizonyos baktériumcsoportok relatív életkorának meghatározására. Ezeknek a csoportoknak az életkorát azután össze lehetne hasonlítani azzal az életkorral, amelyet a különböző molekuláris óramodellek jósolnak. Valószínűleg a legközelebb álló modell lenne a legpontosabb, és ezután felhasználható lenne más baktériumfajok – különösen a cianobaktériumok – korának pontos becslésére.
Ezt az okfejtést követve a csapat több ezer baktériumfaj, köztük cianobaktériumok genomjában horizontális géntranszfer eseteit kereste. A modern cianobaktériumok új tenyészeteit is felhasználták, amelyeket Bosak és Moore vett fel, hogy pontosabban használhassák a fosszilis cianobaktériumokat kalibrálásként. Végül a horizontális génátvitel 34 egyértelmű példáját azonosították. Ezután azt találták, hogy hat molekuláris óramodellből egy következetesen megegyezik a csapat horizontális géntranszfer elemzésében azonosított relatív életkorokkal.
Fournier futtatta ezt a modellt, hogy megbecsülje a cianobaktériumok „korona” csoportjának korát, amely magában foglalja az összes ma élő fajt, amelyekről ismert, hogy oxigénes fotoszintézist mutatnak. Azt találták, hogy az archean korszakban a koronacsoport körülbelül 2.9 milliárd évvel ezelőtt keletkezett, míg a cianobaktériumok összességében körülbelül 3.4 milliárd évvel ezelőtt ágaztak el más baktériumoktól. Ez erősen azt sugallja, hogy az oxigénes fotoszintézis már 500 millió évvel a Nagy Oxidációs Esemény (GOE) előtt megtörtént, és a cianobaktériumok elég hosszú ideig termeltek oxigént, mielőtt az felhalmozódott a légkörben.
Az elemzés azt is feltárta, hogy röviddel a GOE előtt, körülbelül 2.4 milliárd évvel ezelőtt, a cianobaktériumok diverzifikációja robbanásszerű volt. Ez arra utal, hogy a cianobaktériumok gyors terjeszkedése a Földet a GOE-be billenthette, és oxigént juttathatott a légkörbe.
"Ez az új dokumentum alapvetően új megvilágításba helyezi a Föld oxigénellátásának történetét azáltal, hogy újszerű módon összekapcsolja a fosszilis feljegyzéseket a genomikai adatokkal, beleértve a horizontális géntranszfereket" - mondja Timothy Lyons, a Riverside-i Kaliforniai Egyetem biogeokémiai professzora. "Az eredmények a biológiai oxigéntermelés kezdeteiről és ökológiai jelentőségéről beszélnek, olyan módon, amely létfontosságú korlátokat biztosít az óceánok legkorábbi oxigénellátásának és a légkörben való későbbi felhalmozódásának mintáinak és szabályozásának szabályozásában."
Fournier azt tervezi, hogy a cianobaktériumokon túlmenően horizontális géntranszfert is alkalmazna, hogy feltárja más megfoghatatlan fajok eredetét.
„Ez a munka azt mutatja, hogy a horizontális géntranszfereket (HGT-ket) tartalmazó molekuláris órák azt ígérik, hogy megbízhatóan megadják a csoportok életkorát a teljes életfán, még olyan ősi mikrobák esetében is, amelyek nem hagytak maguk után fosszilis emlékeket… ami korábban lehetetlen volt” – mondja Fournier.
Hivatkozás: „Az oxigénes fotoszintézis és a fennmaradt cianobaktériumok archeai eredete”, GP Fournier, KR Moore, LT Rangel, JG Payette, L. Momper és T. Bosak, 29. szeptember 2021. A Royal Society B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Ezt a kutatást részben a Simons Alapítvány és a National Science Foundation támogatta.
