Właśnie zbliżyliśmy się do zidentyfikowania kluczowego momentu w historii ewolucji Ziemi

Dla ogromnej większości zwierząt na Ziemi oddychanie jest synonimem życia. Jednak przez pierwsze dwa miliardy lat istnienia naszej planety tlen był w rzadkim stanie.

Nie oznacza to, że Ziemia była bez życia przez cały ten czas, ale że życie było rzadkie i bardzo różne od tego, co znamy dzisiaj.

Dopiero gdy na scenie pojawiły się bardziej złożone bakterie zdolne do fotosyntezy, wszystko zaczęło się zmieniać, wywołując to, co naukowcy nazywają Wielkim Wydarzeniem Utleniania. Ale kiedy to wszystko się stało? Jak to wszystko się trzęsło?

Nowa technika analizy genów dostarczyła wskazówek dotyczących nowej osi czasu. Szacuje się, że bakterie potrzebowały 400 milionów lat, aby pochłonąć światło słoneczne i wydychać tlen, zanim życie naprawdę rozkwitło.

Innymi słowy, na naszej planecie prawdopodobnie istniały organizmy zdolne do fotosyntezy na długo przed Wielkim Wydarzeniem Utleniania.

„W ewolucji rzeczy zawsze zaczynają się od małych rzeczy” wyjaśniać Geolog Greg Fournier z Massachusetts Institute of Technology.

„Chociaż istnieją dowody na wczesną fotosyntezę tlenową – która jest najważniejszą i naprawdę niesamowitą innowacją ewolucyjną na Ziemi – zajęło to setki milionów lat”.

Obecnie istnieją dwa konkurujące ze sobą rachunki wyjaśniające ewolucję fotosyntezy w specjalnych bakteriach znanych jako cyjanobakterie. Niektórzy uważają, że naturalny proces przekształcania światła słonecznego w energię pojawił się na scenie ewolucyjnej bardzo wcześnie, ale ewoluował z „powolnym zapalnikiem”. Inni uważają, że fotosynteza ewoluowała później, ale „pobiegła jak pożar”.

Wiele kontrowersji wynika z założeń dotyczących szybkości, z jaką ewoluują bakterie, oraz z różnych interpretacji zapisu kopalnego.

Tak więc Fournier i jego koledzy dodali do tego kolejną formę analizy. W rzadkich przypadkach bakterie mogą czasami dziedziczyć geny nie od swoich rodziców, ale od innych, daleko spokrewnionych gatunków. Może się to zdarzyć, gdy inna komórka „zjada” i włączy do swojego genomu inne geny.

Naukowcy mogą wykorzystać te informacje do ustalenia względnego wieku różnych grup bakterii; Na przykład ci, którzy mają skradzione geny, musieli je zmodyfikować z gatunku, który był obecny w tym samym czasie.

Związki te można następnie porównać z bardziej szczegółowymi próbami datowania, takimi jak modele zegara molekularnego, które wykorzystują sekwencje genetyczne organizmów do śledzenia historii zmian genetycznych.

W tym celu naukowcy przeczesali genomy tysięcy gatunków bakterii, w tym sinic. Poszukiwali przypadków horyzontalnego transferu genów.

W sumie zidentyfikowali 34 wyraźne przykłady. Porównując te przykłady z sześcioma modelami zegara molekularnego, autorzy stwierdzili, że w szczególności jeden jest bardziej odpowiedni. Wybierając tę ​​formę mieszanki, zespół oszacował długość życia bakterii fotosyntetycznych.

Wyniki wskazują, że wszystkie żyjące obecnie cyjanobakterie mają wspólnego przodka, który istniał około 2,9 miliarda lat temu. Tymczasem przodkowie te Przodkowie bakterii niefotosyntetycznych rozeszli się około 3,4 miliarda lat temu.

Fotosynteza prawdopodobnie wyewoluowała gdzieś pomiędzy tymi dwiema datami.

Zgodnie z preferowanym przez zespół modelem ewolucyjnym, cyjanobakterie mogły fotosyntetyzować co najmniej 360 milionów lat przed orbitą geosynchroniczną. Jeśli mają rację, wspiera to hipotezę „powolnej fuzji”.

„Ten nowy artykuł rzuca fundamentalne nowe światło na historię natleniania Ziemi, łącząc zapis kopalny na nowe sposoby z danymi genomowymi, w tym poziomymi transferami genów”. On mówi Biogeochemik Timothy Lyons z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside.

„Odkrycia mówią o początkach biologicznej produkcji tlenu i jej znaczeniu ekologicznym w sposób, który zapewnia biotyczne ograniczenia wzorców i kontroli wczesnego natleniania oceanów i późniejszej akumulacji w atmosferze”.

Autorzy mają nadzieję wykorzystać w przyszłości podobne techniki analizy genetycznej do analizy organizmów innych niż cyjanobakterie.

Badanie zostało opublikowane w Postępowanie Towarzystwa Królewskiego B.