Нове дослідження показує, що кисневий фотосинтез, ймовірно, розвинувся між 3.4 і 2.9 мільярдами років тому.
Через деякий час у ранній історії Землі планета стала придатною для життя, коли група підприємливих мікробів, відомих як ціанобактерії, розвинула кисневий фотосинтез — здатність перетворювати світло і воду в енергію, вивільняючи при цьому кисень.
Цей еволюційний момент зробив можливим накопичення кисню в атмосфері та океанах, викликаючи ефект доміно диверсифікації та формуючи унікально придатну для життя планету, яку ми знаємо сьогодні.
тепер, MIT вчені мають точну оцінку, коли вперше зародилися ціанобактерії та кисневий фотосинтез. Їх результати опубліковано 29 вересня 2021 року в Праці Королівського товариства B.
Вони розробили нову техніку генного аналізу, яка показує, що всі види ціанобактерій, які живуть сьогодні, можна простежити до спільного предка, який еволюціонував приблизно 2.9 мільярда років тому. Вони також виявили, що предки ціанобактерій відійшли від інших бактерій приблизно 3.4 мільярда років тому, і кисневий фотосинтез, ймовірно, розвивався протягом півмільярда років, що пройшли, під час архейського еона.
Вчені Массачусетського технологічного інституту підрахували, що кисневий фотосинтез — здатність перетворювати світло та воду на енергію з виділенням кисню — вперше виник на Землі 3.4–2.9 мільярда років тому. Авторство: MIT News, iStockphoto
Цікаво, що ця оцінка визначає появу кисневого фотосинтезу щонайменше за 400 мільйонів років до Великої події окислення, періоду, коли в атмосфері та океанах Землі вперше відбулося підвищення вмісту кисню. Це говорить про те, що ціанобактерії могли розвинути здатність виробляти кисень на ранніх стадіях, але знадобився деякий час, щоб цей кисень дійсно закріпився в навколишньому середовищі.
«В еволюції речі завжди починаються з малого», — каже провідний автор Грег Фурньє, доцент геобіології Департаменту наук про Землю, атмосферу та планету Массачусетського технологічного інституту. «Незважаючи на те, що є докази раннього кисневого фотосинтезу, який є найважливішою і справді дивовижною еволюційною інновацією на Землі, все одно знадобилися сотні мільйонів років, щоб вона зросла».
Серед співавторів Фурньє MIT – Келсі Мур, Луїс Тіберіо Ранхель, Джек Пайєтт, Лілі Момпер і Таня Босак.
Повільний запал чи лісова пожежа?
Оцінки походження кисневого фотосинтезу дуже різняться, а також методи, які дозволяють простежити його еволюцію.
Наприклад, вчені можуть використовувати геохімічні інструменти для пошуку слідів окислених елементів у стародавніх породах. Ці методи виявили натяки на те, що кисень був присутній ще 3.5 мільярда років тому — ознака того, що джерелом міг бути кисневий фотосинтез, хоча можливі й інші джерела.
Дослідники також використовували датування на молекулярному годиннику, яке використовує генетичні послідовності мікробів сьогодні, щоб простежити зміни в генах через еволюційну історію. На основі цих послідовностей дослідники потім використовують моделі, щоб оцінити швидкість, з якою відбуваються генетичні зміни, щоб простежити, коли групи організмів вперше еволюціонували. Але датування молекулярними годинниками обмежене якістю стародавніх скам’янілостей та обраною моделлю швидкості, яка може давати різні оцінки віку залежно від припущеної швидкості.
Фурньє каже, що різні оцінки віку можуть означати суперечливі еволюційні наративи. Наприклад, деякі аналізи показують, що кисневий фотосинтез розвивався дуже рано і прогресував «як повільний запал», тоді як інші вказують на те, що він з'явився набагато пізніше, а потім «злетів, як лісовий вогонь», щоб викликати Велику подію окислення та накопичення кисню в біосфері. .
«Щоб зрозуміти історію придатності для життя на Землі, нам важливо розрізняти ці гіпотези», — каже він.
Горизонтальні гени
Щоб точно дати походження ціанобактерій і кисневого фотосинтезу, Фурньє та його колеги поєднали датування молекулярних годин з горизонтальним перенесенням генів — незалежним методом, який не повністю покладається на скам’янілості чи припущення про швидкість.
Зазвичай організм успадковує ген «вертикально», коли він передається від батьків організму. У рідкісних випадках ген також може переходити з одного виду на інший, віддалено споріднений вид. Наприклад, одна клітина може з'їсти іншу, і в цьому процесі включати нові гени в свій геном.
Коли знайдено таку горизонтальну історію перенесення генів, стає ясно, що група організмів, які придбали ген, еволюційно молодша за групу, з якої походить ген. Фурньє міркував, що такі випадки можна використовувати для визначення відносного віку між певними групами бактерій. Потім вік для цих груп можна було б порівняти з віком, який передбачають різні моделі молекулярного годинника. Найближча модель, ймовірно, буде найточнішою, і потім її можна буде використовувати для точної оцінки віку інших видів бактерій, зокрема, ціанобактерій.
Дотримуючись цих міркувань, команда шукала випадки горизонтального перенесення генів через геноми тисяч видів бактерій, включаючи ціанобактерії. Вони також використовували нові культури сучасних ціанобактерій, взяті Босаком і Муром, щоб точніше використовувати викопні ціанобактерії як калібрування. Зрештою, вони виявили 34 очевидні випадки горизонтального перенесення генів. Потім вони виявили, що одна з шести моделей молекулярного годинника постійно відповідала відносному віку, визначеному в горизонтальному аналізі перенесення генів.
Фурньє скористався цією моделлю, щоб оцінити вік «коронної» групи ціанобактерій, яка охоплює всі види, що живуть сьогодні і, як відомо, демонструють кисневий фотосинтез. Вони виявили, що під час архейського еону коронна група виникла приблизно 2.9 мільярда років тому, тоді як ціанобактерії в цілому відгалужувалися від інших бактерій приблизно 3.4 мільярда років тому. Це впевнено свідчить про те, що кисневий фотосинтез відбувався вже за 500 мільйонів років до Великої події окислення (GOE), і що ціанобактерії виробляли кисень досить тривалий час, перш ніж він накопичився в атмосфері.
Аналіз також показав, що незадовго до GOE, приблизно 2.4 мільярда років тому, ціанобактерії пережили сплеск диверсифікації. Це означає, що швидке розширення ціанобактерій, можливо, перекинуло Землю в GOE і запустило кисень в атмосферу.
«Ця нова стаття проливає суттєве нове світло на історію оксигенації Землі, по-новому поєднуючи летопис скам’янілостей із геномними даними, включаючи горизонтальні перенесення генів», — говорить Тімоті Лайонс, професор біогеохімії Каліфорнійського університету в Ріверсайді. «Результати свідчать про початок біологічного виробництва кисню та його екологічне значення таким чином, що накладає життєво важливі обмеження на закономірності та контроль над раннім насиченням океанів киснем і пізнішими накопиченнями в атмосфері».
Фурньє планує застосувати горизонтальний перенос генів за межі ціанобактерій, щоб визначити походження інших невловимих видів.
«Ця робота показує, що молекулярні годинники, що включають горизонтальну передачу генів (HGT), обіцяють надійно визначити вік груп по всьому дереву життя, навіть для древніх мікробів, які не залишили скам’янілостей… те, що раніше було неможливим», – говорить Фурньє.
Довідка: «Архейське походження кисневого фотосинтезу та існуючі ціанобактеріальні лінії» Г. П. Фурньє, К. Р. Мура, Л. Т. Рангела, Дж. Г. Пайєтта, Л. Момпера та Т. Босака, 29 вересня 2021 р., Праці Королівського товариства B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Це дослідження було підтримано, зокрема, Фондом Саймонса та Національним науковим фондом.
