Новое исследование показывает, что кислородный фотосинтез, вероятно, возник между 3.4 и 2.9 миллиарда лет назад.
Когда-то в ранней истории Земли планета превратилась в приспособляемую для жизни, когда группа предприимчивых микробов, известных как цианобактерии, развила кислородный фотосинтез - способность превращать свет и воду в энергию, выделяя при этом кислород.
Этот эволюционный момент сделал возможным накопление кислорода в атмосфере и океанах, вызвав эффект домино диверсификации и сформировав уникальную обитаемую планету, которую мы знаем сегодня.
Теперь, MIT У ученых есть точная оценка того, когда впервые возникли цианобактерии и кислородный фотосинтез. Их результаты были опубликованы 29 сентября 2021 г. в Труды Королевского общества B.
Они разработали новую технику генного анализа, которая показывает, что все виды цианобактерий, живущие сегодня, восходят к общему предку, который появился около 2.9 миллиарда лет назад. Они также обнаружили, что предки цианобактерий отделились от других бактерий около 3.4 миллиарда лет назад, и оксигенный фотосинтез, вероятно, развился в течение полумиллиарда лет, во время архейского эона.
По оценкам ученых Массачусетского технологического института, кислородный фотосинтез - способность превращать свет и воду в энергию, выделяя кислород - впервые появился на Земле между 3.4 и 2.9 миллиарда лет назад. Предоставлено: MIT News, iStockphoto.
Интересно, что эта оценка указывает на появление кислородного фотосинтеза по крайней мере за 400 миллионов лет до Великого окислительного события, периода, когда атмосфера и океаны Земли впервые испытали повышение содержания кислорода. Это говорит о том, что цианобактерии, возможно, рано развили способность производить кислород, но потребовалось время, чтобы этот кислород действительно закрепился в окружающей среде.
«В эволюции все всегда начинается с малого», - говорит ведущий автор Грег Фурнье, доцент геобиологии Департамента Земли, атмосферы и планет Массачусетского технологического института. «Несмотря на то, что есть свидетельства раннего кислородного фотосинтеза, который является самым важным и действительно удивительным эволюционным нововведением на Земле, для его реализации потребовались сотни миллионов лет».
Соавторами Фурнье в Массачусетском технологическом институте являются Келси Мур, Луис Тиберио Ранжел, Джек Пайетт, Лили Момпер и Таня Босак.
Медленный взрыв или лесной пожар?
Оценки происхождения оксигенного фотосинтеза широко разнятся, равно как и методы отслеживания его эволюции.
Например, ученые могут использовать геохимические инструменты для поиска следов окисленных элементов в древних породах. Эти методы обнаружили намек на то, что кислород присутствовал уже 3.5 миллиарда лет назад - признак того, что источником кислорода мог быть фотосинтез, хотя возможны и другие источники.
Исследователи также использовали датирование молекулярных часов, которое использует генетические последовательности микробов сегодня, чтобы проследить изменения генов на протяжении эволюционной истории. На основе этих последовательностей исследователи затем используют модели для оценки скорости, с которой происходят генетические изменения, чтобы проследить, когда группы организмов впервые эволюционировали. Но датировка молекулярных часов ограничена 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 рассказы. Например, некоторые анализы предполагают, что кислородный фотосинтез развился очень рано и развивался «как медленное плавление», в то время как другие указывают, что он появился намного позже, а затем «взлетел, как лесной пожар», чтобы вызвать 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 оксигенный фотосинтез, Фурнье и его коллеги соединили датирование молекулярных часов с горизонтальным переносом генов - независимый метод, который не полностью полагается на окаменелости или предположения о скорости.
Обычно организм наследует ген «вертикально», когда он передается от своего родителя. 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 некоторые новые гены.
Когда обнаруживается такая история горизонтального переноса генов, становится ясно, что группа организмов, которые приобрели этот ген, эволюционно моложе, чем группа, из которой произошел ген. Фурнье полагал, что такие примеры можно использовать для определения относительного возраста между определенными группами бактерий. Затем возраст этих групп можно было бы сравнить с возрастом, предсказываемым различными моделями молекулярных часов. Модель, которая подходит ближе всего, вероятно, будет наиболее точной и затем может быть использована 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 идентифицировали 34 явных случая горизонтального переноса генов. Затем они обнаружили, что одна из шести моделей молекулярных часов последовательно соответствует относительному возрасту, определенному в ходе горизонтального анализа переноса генов, проведенного командой.
Фурнье использовал эту модель, чтобы оценить возраст «коронной» группы цианобактерий, которая включает в себя все виды, живущие сегодня и обладающие кислородным фотосинтезом. Они обнаружили, что в эпоху архея группа крон возникла около 2.9 миллиарда лет назад, в то время как цианобактерии в целом отделились от других бактерий около 3.4 миллиарда лет назад. Это убедительно свидетельствует о том, что кислородный фотосинтез происходил уже за 500 миллионов лет до Великого окислительного события (GOE), и что цианобактерии производили кислород в течение довольно долгого времени, прежде чем он накапливался в атмосфере.
Анализ также показал, что незадолго до GOE, около 2.4 миллиарда лет назад, цианобактерии испытали всплеск диверсификации. Это означает, что быстрое распространение цианобактерий могло повернуть Землю в GOE и выбросить кислород в атмосферу.
«Эта новая статья проливает новый свет на историю оксигенации Земли, по-новому соединяя летопись окаменелостей с геномными данными, включая горизонтальный перенос генов», - говорит Тимоти Лайонс, профессор биогеохимии Калифорнийского университета в Риверсайде. «Результаты говорят об истоках биологического производства кислорода и его экологическом значении, обеспечивая жизненно важные ограничения для моделей и средств контроля самого раннего оксигенации океанов и более поздних накоплений в атмосфере».
Фурнье планирует применить горизонтальный перенос генов помимо цианобактерий, чтобы определить происхождение других неуловимых видов.
«Эта работа показывает, что молекулярные часы, включающие горизонтальный перенос генов (HGT), обещают надежно предоставить возраст групп на всем древе жизни, даже для древних микробов, не оставивших летописи окаменелостей… что раньше было невозможно», - говорит Фурнье.
Ссылка: «Архейское происхождение оксигенного фотосинтеза и существующие линии цианобактерий» Г. П. Фурнье, К. Р. Мур, Л. Т. Рангель, Дж. Г. Пайетт, Л. Момпер и Т. Босак, 29 сентября 2021 г., Труды Королевского общества B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Это исследование было частично поддержано Фондом Саймонса и Национальным научным фондом.
