Усьому виною бактерії. Учені з'ясували точний час, коли Земля стала придатною для життя

Рання атмосфера Землі
Фото: ISS | Рання атмосфера Землі. Ілюстрація.

Планета стала придатною для життя, коли ціанобактерії почали перетворювати світло і воду в енергію, виділяючи кисень.

У вчених з Массачусетського технологічного інституту (МТІ) тепер є точна оцінка того, коли вперше виникли ціанобактерії і кисневий фотосинтез, повідомляє Scitechdaily

Нове дослідження показує, що кисневий фотосинтез, ймовірно, виник між 3,4 і 2,9 млрд років тому. Тоді в мікробів, відомих як ціанобактерії, з'явилася здатність кисневого фотосинтезу, коли вони перетворювали воду і світло в енергію, при цьому виділяючи кисень. Це призвело до накопичення кисню в атмосфері та океанах і сформувало унікальну населену планету, яку ми знаємо тепер.

Нова техніка генного аналізу

Учені з МІТ створили нову техніку генного аналізу, яка показує, що всі види ціанобактерій, що живуть сьогодні, мають спільного предка, який з'явився на Землі близько 2,9 мільярдів роки тому. Також учені виявили, що предки ціанобактерій відділилися від інших бактерій близько 3,4 мільярдів років тому, а кисневий фотосинтез, ймовірно, розвинувся протягом пів мільярда років, під час архейського еону.

Нові дані вказують на появу кисневого фотосинтезу принаймні за 400 мільйонів років до Кисневої події, глобальної зміни складу атмосфери близько 2,45 млрд років тому, коли в атмосфері та океанах Землі вперше з'явився підвищений вміст кисню. Це говорить про те, що ціанобактерії, можливо, раніше розвинули здатність виробляти кисень, але потрібен час, щоб цей кисень дійсно закріпився в навколишньому середовищі.

Ціанобактерії.
Ціанобактерії.
Фото: SciTechDaily

Різні гіпотези появи кисневого фотосинтезу

Оцінки дати появи кисневого фотосинтезу відрізняються, так само як і методи відстеження його еволюції.

Наприклад, учені можуть використовувати геохімічні інструменти для пошуку слідів окислених елементів у древніх породах. Так, учені виявили, що кисень був на Землі вже 3,5 мільярди років тому — це ознака того, що джерелом кисню міг бути фотосинтез, хоча можливі й інші джерела.

Інші дослідники використовували датування молекулярного годинника, яке використовує генетичні послідовності мікробів сьогодні, щоб простежити зміни генів протягом еволюційної історії. На основі цих послідовностей учені потім використовують моделі для оцінки швидкості, з якою відбуваються генетичні зміни, щоб простежити, коли групи організмів уперше еволюціонували. Але датування молекулярних годин обмежене якістю древніх скам'янілостей і обраною моделлю швидкості, яка може давати різні оцінки віку, залежно від передбачуваної швидкості.

"Щоб зрозуміти історію населеності на Землі, нам важливо розрізняти ці гіпотези", — говорить Грег Фурньє з МТІ.

Земля 3,5 мільярди років тому
Земля 3,5 мільярди років тому. Ілюстрація.
Фото: wikipedia

Горизонтальне перенесення генів

Щоб точно визначити дату появи ціанобактерій і кисневого фотосинтезу, Грег Фурньє та його колеги з'єднали датування молекулярного годинника з горизонтальним перенесенням генів — метод, який у повному обсязі покладається на скам'янілості або припущення про швидкість.

Зазвичай організм успадковує ген "вертикально", коли він передається від свого батька. У рідкісних випадках ген може також переходити від одного виду до іншого, віддалено родинному виду. Наприклад, одна клітина може поглинути іншу і при цьому включити у свій геном деякі нові гени.

Коли виявляється така історія горизонтального перенесення генів, стає зрозуміло, що група організмів, які отримали цей ген, еволюційно молодша, ніж група, з якої ген родом. Фурньє припустив, що такі приклади можна використовувати для визначення відносного віку в певних груп бактерій. Потім вік цих груп можна було б порівняти з віком, який передбачається різними моделями молекулярного годинника. Модель, яка підходить найкраще, ймовірно, буде найбільш точною і потім може бути використана для точної оцінки віку інших видів бактерій, зокрема, ціанобактерій.

34 випадки горизонтального перенесення генів

Учені шукали випадки горизонтального перенесення генів у геномах тисяч видів бактерій, включаючи ціанобактерії. Вони також використовували нові культури сучасних ціанобактерій, щоб більш точно використовувати копалини ціанобактерії в ролі стандарту. Зрештою, вони ідентифікували 34 явних випадки горизонтального перенесення генів. Потім вони виявили, що одна з шести моделей молекулярного годинника відповідала віку, визначеному в ході аналізу горизонтального перенесення генів.

Точні дати

Фурньє використовував цю модель для оцінки віку "коронної" групи ціанобактерій, яка включає всі види, що живуть сьогодні і мають кисневий фотосинтез. Учені виявили, що протягом архейського еону коронна група виникла близько 2,9 мільярдів років тому, у той час як ціанобактерії в цілому відділилися від інших бактерій близько 3,4 мільярдів років тому. Це доводить, що кисневий фотосинтез відбувався вже за 500 мільйонів років до Кисневої події, і що ціанобактерії виробляли кисень протягом досить довгого часу, перш ніж він накопичився в атмосфері.

Фурньє планує застосувати горизонтальне перенесення генів, щоб визначити походження інших видів, крім ціанобактерій.

"Наше дослідження показує, що молекулярний годинник, який включає горизонтальне перенесення генів, може надати дані про вік мікроорганізмів на всьому древі життя, навіть древніх мікробів, які залишили сліди в скам'янілостях, що раніше було неможливим", — говорить Фурньє.