Всему виной бактерии. Ученые выяснили точное время, когда Земля стала пригодной для жизни

У ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) теперь есть точная оценка того, когда впервые возникли цианобактерии и кислородный фотосинтез, сообщает Scitechdaily

Новое исследование показывает, что кислородный фотосинтез, вероятно, возник между 3,4 и 2,9 миллиарда лет назад. Тогда у микробов, известных как цианобактерии, появилась способность кислородного фотосинтеза, когда они превращали воду и свет в энергию, при этом выделяя кислород. Это привело к накоплению кислорода в атмосфере и океанах и сформировало уникальную обитаемую планету, которую мы знаем теперь.

Новая техника генного анализа

Учение из МИТ создали новую технику генного анализа, которая показывает, что все виды цианобактерий, живущие сегодня, имеют общего предка, который появился на Земле около 2,9 миллиарда лет назад. Также ученые обнаружили, что предки цианобактерий отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад, а кислородный фотосинтез, вероятно, развился в течение полумиллиарда лет, во время Архейского эона.

Новые данные указывают на появление кислородного фотосинтеза по крайней мере за 400 миллионов лет до Кислородного события, глобального изменения состава атмосферы около 2,45 млрд лет назад, когда в атмосфере и океанах Земли впервые появилось повышенное содержание кислорода. Это говорит о том, что цианобактерии, возможно, раньше развили способность производить кислород, но потребовалось время, чтобы этот кислород действительно закрепился в окружающей среде.

Разные гипотезы появления кислородного фотосинтеза

Оценки даты появления кислородного фотосинтеза отличаются, равно как и методы отслеживания его эволюции.

Например, ученые могут использовать геохимические инструменты для поиска следов окисленных элементов в древних породах. Так ученые обнаружили, что кислород присутствовал на Земле уже 3,5 миллиарда лет назад – это признак того, что источником кислорода мог быть фотосинтез, хотя возможны и другие источники.

Другие исследователи использовали датирование молекулярных часов, которое использует генетические последовательности микробов сегодня, чтобы проследить изменения генов на протяжении эволюционной истории. На основе этих последовательностей ученые затем используют модели для оценки скорости, с которой происходят генетические изменения, чтобы проследить, когда группы организмов впервые эволюционировали. Но датирование молекулярных часов ограничено качеством древних окаменелостей и выбранной моделью скорости, которая может давать разные оценки возраста, в зависимости от предполагаемой скорости.

"Чтобы понять историю обитаемости на Земле, нам важно различать эти гипотезы", — говорит Грег Фурнье из МТИ.

Горизонтальный перенос генов

Чтобы точно определить дату появления цианобактерий и кислородного фотосинтеза, Грег Фурнье и его коллеги соединили датирование молекулярных часов с горизонтальным переносом генов — 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 поглотить 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 ген произошел. Фурнье предположил, что такие примеры можно использовать для определения относительного возраста у определенных групп бактерий. Затем возраст этих групп можно было бы сравнить с возрастом, предсказываемым различными моделями молекулярных часов. Модель, которая подходит лучше всего, вероятно, будет наиболее точной и затем может быть использована для точной оценки возраста других видов бактерий, в частности, цианобактерий.

34 случая горизонтального переноса генов

Ученые искали случаи горизонтального переноса генов в геномах тысяч видов бактерий, включая цианобактерии. Они также использовали новые культуры современных цианобактерий, чтобы более точно использовать ископаемые цианобактерии в качестве стандарта. В конце концов, они идентифицировали 34 явных случая горизонтального переноса генов. Затем они обнаружили, что одна из шести моделей молекулярных часов соответствовала относительному возрасту, определенному в ходе анализа горизонтального переноса генов.

Точные даты

Фурнье использовал эту модель для оценки возраста "коронной" группы цианобактерий, которая включает все виды, живущие сегодня и обладающие кислородным фотосинтезом. Ученые обнаружили, что в течение Архейского эона коронная группа 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 доказывает, что кислородный фотосинтез происходил уже за 500 миллионов лет до Кислородного события, и что цианобактерии производили кислород в течение довольно долгого времени, прежде чем он накопился в атмосфере.

Фурнье планирует применить горизонтальный перенос генов, чтобы определить происхождение других видов, помимо цианобактерий.

"Наше исследование показывает, что молекулярные часы, включающие горизонтальный перенос генов, могут предоставить данные о возрасте микроорганизмов на всем древе жизни, даже древних микробов, не оставивших следов в окаменелостях, что раньше было невозможно", — говорит Фурнье.