Когда бактерии приобрели способность генерировать энергию из света и выделять при этом кислород? В зависимости от метода датировки ответ на этот вопрос существенно различается. Используя комбинацию данных генома и окаменелостей, исследователи пришли к выводу: производящие кислород цианобактерии появились от 3,4 до 2,7 миллиардов лет назад.
Развитие фотосинтеза заложило основу жизни, какой мы ее знаем сегодня. В то время, когда кислород все еще был токсичным для большинства живых существ, цианобактерии начали выделять этот самый токсин в результате производства энергии из солнечного света, воды и углекислого газа. В результате 2,4 миллиарда лет назад произошла так называемая Великая кислородная катастрофа: содержание кислорода в атмосфере резко выросло, что не только привело к массовому вымиранию анаэробных бактерий, живших в то время, но и способствовало развитию современной жизни, основанной на кислородном дыхании. Однако пока не очень понятно, когда именно появились сами цианобактерии.
Дополнение к молекулярным часам
Предыдущее датирование обычно основывалось на методе создания «молекулярных часов», основанных на связанных с мутациями изменениях в геноме бактерий, которые оценивают, когда разные бактериальные линии отделились друг от друга. Однако в зависимости от используемой модели эти оценки значительно колеблются, поскольку без внешних ориентиров часто неясно, как быстро произошли изменения.
Группа ученых из Кембриджа объединили метод молекулярных часов с методом горизонтального переноса генов. Это редкие случаи, когда бактерия перенимает гены от другого вида.
В этих случаях ясно, что группа организмов, взявшая на себя ген, должна быть эволюционно моложе, чем группа, из которой ген произошел. Таким образом, метод не позволяет получить абсолютную информацию, но позволяет определять относительный возраст различных групп бактерий в сравнении. Ученые сначала разработали несколько (6) разных моделей молекулярных часов происхождения цианобактерий на основе данных генома и окаменелостей. Далее эти модели проверяли наложением данных исследований горизонтального переноса генов.
Медленное начало фотосинтеза
Команда обнаружила 34 явных случая горизонтального переноса генов в геномах тысяч видов бактерий. Относительный возраст, полученный на основе этого, подтвердил одну из шести ранее установленных моделей молекулярных часов. Согласно этому, последний общий предок всех цианобактерий, живущих сегодня, возник около 2,7 миллиарда лет назад. Согласно модели, цианобактерии в целом отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад. На основе известных на сегодняшний день генетических данных до сих пор неясно, когда именно в этот период происходил фотосинтез с кислородом, поскольку соответствующие бактерии, которые жили в переходный период, либо вымерли, либо еще не обнаружены.
Сейчас известно, что бактерии, продуцирующие кислород, появились не позднее 2,7 миллиарда лет назад - то есть, по крайней мере, за 300 миллионов лет до Великой кислородной катастрофы. Это подтверждает теорию о том, что цианобактерии рано развили способность производить кислород, но потребовалось время, чтобы кислород приобрел весомое влияние в окружающей среде.
Это открытие согласуется с более ранними данными анализа горных пород, согласно которым элементы окислялись, по крайней мере, три миллиарда лет назад. Одним из источников кислорода, необходимого для этого, мог быть фотосинтез.
Величайшее, фундаментальное, основополагающее явление фотосинтеза появилось 2,7 миллиарда лет назад. А самое интересное во всей этой истории - это то, что кислород является побочным продуктом процесса. Вот так побочный продукт стал основой жизни всего сущего!