В някакъв момент от ранната история на Земята планетата се превръща в подходяща за живот, когато група предприемчиви микроби, известни като цианобактерии, развиват кислородна фотосинтеза - способността да превръща светлината и водата в енергия, отделяйки кислород в процеса.
Този еволюционен момент прави възможно кислородът в крайна сметка да се натрупа в атмосферата и океаните, задействайки ефекта на доминото на диверсификацията и оформяйки уникално обитаемата планета, която познаваме днес.
Сега учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) имат точна оценка за това кога цианобактериите и кислородната фотосинтеза са възникнали за първи път. Техните резултати се появяват в Proceedings of the Royal Society B.
Те разработват нова техника за анализиране на гени, която показва, че всички видове цианобактерии, които живеят днес, могат да бъдат проследени до общ прародител, който е еволюирал преди около 2,9 милиарда години. Те също така откриват, че предците на цианобактериите са се разклонили в еволюционното дърво от други бактерии преди около 3,4 милиарда години, като кислородната фотосинтеза вероятно се е развила през междинните половин милиард години през Архайския еон.
Интересното е, че тази оценка поставя появата на кислородна фотосинтеза поне 400 милиона години преди Кислородната катастрофа, период, в който земната атмосфера и океаните за първи път са изпитали повишаване на кислорода. Това предполага, че цианобактериите може да са еволюирали способността да произвеждат кислород в началото, но че е отнело известно време този кислород наистина да се наложи в околната среда.
"В еволюцията нещата винаги започват от малко", обяснява водещият автор Грег Фурние (Greg Fournier), доцент по геобиология в катедрата по атмосферни и планетарни науки на MIT. "Въпреки че има доказателства за ранна кислородна фотосинтеза - която е най-важната и наистина невероятна еволюционна иновация на Земята - все пак са били необходими стотици милиони години, за да излети."
Бавен фитил или пожар?
Оценките за произхода на кислородната фотосинтеза варират значително, заедно с методите за проследяване на нейната еволюция.
Например, учените могат да използват геохимични инструменти, за да търсят следи от окислени елементи в древни скали. Тези методи откриват улики, че кислородът е присъствал още преди 3,5 милиарда години - знак, че кислородната фотосинтеза може да е била източникът, въпреки че са възможни и други източници.
Изследователите също използвали датиране с помощта на молекулен часовник, който използва генетичните последователности на микробите днес, за да проследят промените в гените през еволюционната история. Въз основа на тези секвенции изследователите след това използват модели, за да преценят скоростта, с която настъпват генетични промени, за да проследят кога за първи път са еволюирали групи организми. Но датирането на молекулярния часовник е ограничено от качеството на древните вкаменелости и избрания модел на скоростта, който може да даде различни оценки на времето, в зависимост от скоростта, която се предполага.
Фурние коментира, че различните възрастови оценки могат да предполагат противоречиви еволюционни истории. Например някои анализи предполагат, че кислородната фотосинтеза се е развила много рано и е прогресирала „като бавен фитил“, докато други посочват, че се е появила много по-късно и след това „избухнала като горски пожар“, за да предизвика Кислородната катастрофа и натрупването на кислород в биосферата .
"За да разберем историята на обитаемостта на Земята, за нас е важно да правим разлика между тези хипотези", отбелязва Фурние.
Еволюция на атмосферата
Схема: The Physical Earth , Mitchell Beazley
На схемата се виждат огромните промени в състава на атмосферата на Земята. Значителна част от метанът и водородът са отлетели в космоса още в първите 200-300 млн.г. Така важния свободен кислород започнал да се натрупва преди 3500 млн.г. Сега атмосферата съдържа около 78% азот (N2), 21% кислород (O2), 1 % аргон, и 0.033% въглероден диоксид (CO2).
Хоризонтален пренос на гени
За да определят точно произхода на цианобактериите и кислородната фотосинтеза, Фурние и колегите му съчетават датирането с молекулярния часовник с хоризонталния трансфер на гени - независим метод, който не разчита изцяло на фосилите или предположения за скоростта.
Обикновено организмът наследява ген "вертикално", когато се предава от родителите на организма. В редки случаи генът може да прескача и от един вид в друг, отдалечен род. Например една клетка може да изяде друга и в процеса да включи някои нови гени в своя геном.
Когато се открие такава хоризонтална история на трансфер на гени, е ясно, че групата организми, които са придобили гена, е еволюционно по-млади от групата, от която произхожда генът. Фурние решава, че такива случаи могат да се използват за определяне на относителната възраст между определени бактериални групи. Тогава възрастите за тези групи могат да бъдат сравнени с възрастите, които различни модели на молекулярния часовник предсказват. Най-близкият модел вероятно би бил най-точният и след това би могъл да се използва за преценка на възрастта на други бактериални видове - по - специално на цианобактериите.
Структурата на типична клетка на цианобактерия. Кредит: Wikimedia Commons
Следвайки това разсъждение, екипът търси случаи на хоризонтален трансфер на гени в геномите н хиляди бактериални видове, включително цианобактериите. Те също така използват нови култури от съвременни цианобактерии за по-точно калибриране на оценката за възрастта на изкопаемите цианобактерии.
В крайна сметка изследователите идентифицират 34 ясни случая на хоризонтален трансфер на гени. След това установяват, че един от шестте модела на молекулярни часовници последователно съответства на относителната възраст, идентифицирана от елипа по анализ по хоризонтален трансфер на гени.
Фурние използва този модел, за да оцени възрастта на "коронната" група цианобактерии, която обхваща всички видове, живеещи днес и за които е известно, че проявяват кислородна фотосинтеза. Те откриват, че по време на архайския еон, коронната група възниква преди около 2,9 милиарда години, докато цианобактериите като цяло се разклоняват от други бактерии преди около 3,4 милиарда години. Това убедително свидетелства, че кислородната фотосинтеза вече се е извършвала 500 милиона години преди Кислородната катастрофа и че цианобактериите произвеждат кислород доста дълго време, преди да се натрупа в атмосферата.
Анализът също така разкрива, че малко преди Кислородната катастрофа, преди около 2,4 милиарда години, цианобактериите преживяват експлозия на биоразнообразие (диверсификация). Това означава, че бързото разпространение на цианобактериите може да е тласнало Земята в Кислородната катастрофа и да е наситило с кислород атмосферата.
Цианобактерии. WisContext
Фурние планира да приложи метода на датиране чрез хоризонтален трансфер на гени извън цианобактериите, за да установи произхода на други видове.
"Тази работа показва, че молекулярните часовници, включващи хоризонтални трансфери на гени (HGT - horizontal gene transfer), обещават надеждно да определят възрастта на групите по цялото дърво на живота, дори за древните микроби, които не са оставили никакви вкаменелости ... нещо, което преди е било невъзможно", отбелязва Фурние.
Справка: The Archean Origin of Oxygenic Photosynthesis and Extant Cyanobacterial Lineages, Proceedings of the Royal Society B, rspb.royalsocietypublishing.or … .1098/rspb.2021.0675
Източник: Zeroing in on the origins of Earth's 'single most important evolutionary innovation'
Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology
Още по темата
Животът
Бактериите знаят как да използват квантовата механика, за да управляват енергията
Земята
Само въпрос на време е било кислородът да достигне нива, подходящи за сложен живот
Животът
Създадоха растения с усъвършенствана фотосинтеза
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари