Микробные организмы, особенно бактерии, доминируют в жизни на Земле, однако проследить их раннюю историю и то, как они развивались с течением времени, долгое время не удавалось ученым, поскольку они редко превращаются в окаменелости.
Но новое исследование, впервые описывает эволюцию бактерий, собирая воедино химические данные о доступных питательных веществах, которые могли бы поддерживать их рост, содержащиеся в древних отложениях и горных породах.
Международная команда, включающая исследователей из Университета Бристоля в Великобритании и возглавляемая Институтом науки и технологий Окинавы (OIST) в Японии, использовала ключевой эволюционный поворотный момент – Великое окисление, когда кислород накапливался в атмосфере около 2,3 миллиарда лет назад, чтобы понять, как микробы реагируют на кислород. приспособился к этому.
Они построили подробную временную шкалу, используя возможности машинного обучения, которая указывает на то, что некоторые бактерии могли использовать микроэлементы кислорода задолго до того, как приобрели способность производить его посредством фотосинтеза.
Сильное окисление, вызванное в значительной степени развитием кислородного фотосинтеза у цианобактерий и отложением углерода, коренным образом изменило атмосферу Земли, превратив ее из атмосферы, в основном лишенной кислорода, в атмосферу, где кислорода стало относительно много, как это происходит сегодня.
До сих пор установить точные временные рамки эволюции бактерий до, во время и после этого ключевого перехода было сложно из-за неполноты ископаемых свидетельств и сложности определения максимально возможного возраста для групп микроорганизмов. Единственным достоверным максимальным пределом для подавляющего большинства линий является лунообразующее воздействие 4,5 миллиарда лет назад, которое, вероятно, стерилизовало планету.
Соавтор исследования доктор Том Уильямс, доцент кафедры молекулярной эволюции Бристольского университета, сказал: “Наша работа показывает, что моделирование признаков микробов на основе их геномов с помощью машинного обучения хорошо подходит для изучения распространения аэробного метаболизма, а также может быть полезным подходом для изучения того, как другие признаки возникли и взаимодействовали с другими микроорганизмами. окружающая среда планеты меняется в течение геологического времени.”
Исследователи устранили исторические пробелы, одновременно проанализировав геологические и генетические записи ДНК. Их ключевым нововведением было использование самого Габона и насыщения Земли кислородом (GOE) в качестве временной границы, предполагая, что большинство аэробных (использующих кислород) ветвей бактерий вряд ли старше этого события — если только ископаемые или генетические признаки не указывают на более раннее происхождение. Используя байесовскую статистику, они создали модель, которая может опровергнуть это предположение, если оно подтверждается данными.
Соавтор исследования доктор Гергели Шеллези, доцент и руководитель подразделения эволюционной геномики, основанного на моделях, в OIST, сказал: “Этот комбинированный подход с использованием геномных данных, окаменелостей и геохимической истории Земли вносит новую ясность в эволюционные хронологии, особенно для групп микроорганизмов, у которых нет окаменелой летописи”.
Однако этот подход требует прогнозирования того, какие линии были аэробными в далеком прошлом. Команда использовала вероятностные методы, чтобы определить, какие гены содержались в древних геномах, а затем с помощью машинного обучения предсказать, использовали ли они кислород. Чтобы оптимизировать летопись окаменелостей, они использовали окаменелости эукариот, чьи митохондрии произошли от альфа-протеобактерий, а хлоропласты — от цианобактерий, чтобы лучше оценить, как и когда появились аэробные бактерии.
Их результаты показывают, что по крайней мере три линии вели аэробный образ жизни до появления ГЭ – самой ранней почти за 900 миллионов лет до этого, – что позволяет предположить, что способность использовать кислород развилась задолго до его повсеместного накопления в атмосфере. Интересно, что эти результаты указывают на возможность того, что аэробный метаболизм мог происходить задолго до эволюции кислородного фотосинтеза. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что самый ранний аэробный переход произошел у предка фотосинтезирующих цианобактерий, что указывает на то, что способность использовать незначительные количества кислорода, возможно, позволила развить гены, играющие центральную роль в кислородном фотосинтезе.
По оценкам исследователей, последний общий предок всех современных бактерий жил где-то между 4,4 и 3,9 миллиардами лет назад, в эпоху хадея или раннего архея. Предки основных бактериальных типов относятся к архейской и протерозойской эрам (2,5-1,8 миллиарда лет назад), в то время как многие семейства датируются 0,6-0,75 миллиардами лет назад, что совпадает с эпохой зарождения наземных растений и животных.
Примечательно, что после повышения уровня кислорода в атмосфере во время ГЭ аэробные линии размножались быстрее, чем их анаэробные аналоги, что указывает на то, что доступность кислорода сыграла существенную роль в формировании эволюции бактерий.
Если Вам понравилась статья, просим поставить лайк и подписаться. Еще больше интересных и полезных статей вы можете прочитать - в нашем канале в Телеграм, и на сайте издательства "МЕДИК" medik.press. Будьте здоровы!
Источник: Университет Бристоля