Ученые определили время возникновения фотосинтеза на Земле

В какой-то момент в ранней истории Земли планета превратилась в пригодную для жизни, когда группа 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 у ученых Массачусетского технологического института есть точная оценка того, когда впервые возникли цианобактерии и кислородный фотосинтез. Их результаты были опубликованы в Proceedings of the Royal Society 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.

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 начинается с малого», — говорит ведущий автор работы Грег Фурнье, доцент кафедры 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, ему потребовались сотни миллионов лет, чтобы он начал свое развитие».

Разные методы

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 ученые 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.

Грег 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 Грег Фурнье.

Горизонтальные гены

Чтобы точно определить дату происхождения цианобактерий и оксигенного фотосинтеза, Фурнье и его коллеги соединили датирование молекулярных часов с горизонтальным переносом генов — независимый метод, который не полностью полагается на окаменелости или предположения о нормах.

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 ген произошел. 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 ученых искала 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 калибровок. В конце концов, они идентифицировали 34 явных случая горизонтального переноса генов. Затем они обнаружили, что одна из шести моделей молекулярных часов неизменно соответствовала относительному возрасту, определенному командой горизонтального анализа переноса генов.

Фурнье использовал эту модель для оценки возраста «коронной» группы цианобактерий, которая включает все виды, живущие сегодня и обладающие кислородным фотосинтезом. Они 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 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 стал накапливаться 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 выбросить кислород в атмосферу.

«Наша 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 Грег Фурнье.

Исследование было опубликовано в Proceedings of the Royal Society B.