Аэробные бактерии могли возникнуть еще до начала "кислородного бума" на Земле

Искусственный интеллект и филогенетика помогли ученым пересмотреть хронологию эволюции бактерий.

Бактерии, одна из самых древних форм жизни, обитали, казалось бы, во всех возможных местах на планете - от океанских впадин и горных вершин до горячих источников и полярных льдов. Тем не менее, они оставили ограниченное количество следов своего существования, что препятствует попыткам ученых понять их раннюю эволюцию. «В случае с микроорганизмами происходит нечто иное», - объясняет Филипп Хугенхольц, микробиолог из Квинслендского университета (США). «Они могут оставлять биохимический след в истории Земли благодаря своему метаболизму».

Изучая древние биохимические следы, Хугенхольц и его коллеги построили временную шкалу эволюции бактерий и их адаптации к кислороду. Их выводы, опубликованные в журнале Science, свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могли использовать кислород за миллионы лет до того, как он стал широко распространен на Земле, что меняет наше представление об эволюции бактерий. «Это блестящее исследование», - считает Гаурав Шарма, биолог-вычислитель и генетик микроорганизмов из Индийского технологического института, который не принимал участия в работе. «Оно открывает совершенно иную перспективу, о которой до сих пор не было известно».

Чтобы расшифровать гены, которые могли нести древние бактерии, Хугенхольц использовал подход, называемый филогенетической сверкой. Ученые проследили эволюционную историю тысяч существующих генов по геномной истории 1000 существующих видов бактерий и сделали вывод о геномах их предков. Затем они попытались предсказать, использовали ли эти организмы кислород. Сначала исследователи составили список генов, встречающихся у современных аэробных и анаэробных бактерий, на основе которого использовали модель машинного обучения, позволяющую определять потребление кислорода организмом на основе его генетического состава. Затем они применили эту модель к геномам предков.

Модель предсказала, что большинство предковых линий были анаэробными, что согласуется с геохимическими данными, указывающими на то, что атмосфера древней Земли была практически лишена кислорода около 2,5 миллиарда лет назад. Исследователи заметили, что многие древние бактерии перешли к аэробному образу жизни после Великого окислительного события (ВОС), произошедшего около 2,3 миллиарда лет назад. Это событие, обусловленное способностью микробов к фотосинтезу, привело к повышению уровня кислорода в атмосфере. Древние бактерии, которые никогда не сталкивались с кислородом, либо эволюционировали, чтобы использовать его, либо ушли в бескислородную среду в глубине планеты.

Однако исследователи обнаружили, что по крайней мере три бактериальные линии, по-видимому, использовали кислород уже за 900 миллионов лет до ВОС. «Это был большой сюрприз», - вспоминает Хугенхольц. «Мы были очень взволнованы, потому что [полученные данные] противоречат общепринятому мнению, что если вы производите кислород, то это определяет вашу способность его использовать».

Исследователи перепроверили свои анализы, чтобы исключить любые ошибки. Когда все подтвердилось, они погрузились в литературу в поисках объяснения неожиданным выводам. Они обнаружили статьи 1970-х годов, в которых исследователи выдвигали гипотезу о том, что древние микробы могли быть толерантны к кислороду еще до наступления ВОС. Хугенхольц и его группа предположили, что эти линии могли подвергаться воздействию кислорода, полученного абиотическим путем, например, в результате фотолиза воды.

Полученные ими результаты также позволили пересмотреть хронологию эволюции бактерий, предположив, что последний общий предок бактерий жил между 3,9 и 4,4 миллиарда лет назад, а не 3,5-3,8 миллиарда лет назад, как указывалось в некоторых исследованиях. Это произошло вскоре после того, как объект размером с Марс врезался в Землю около 4,5 миллиарда лет назад, что стало катаклизмом, уничтожившим всю существующую жизнь и сформировавшим Луну. «Это означает, что повторное появление жизни могло произойти за геологически короткое время, например, за последние 100 миллионов лет», - считает Хугенхольц.

Это первое исследование, которое показывает, что группа организмов уже несла гены для использования кислорода до события оксигенации, отметил Шарма. Он добавил, что анализ более широкого спектра геномов может дать более точное представление об эволюционном периоде. «У нас есть более 100 000 геномов». «Я бы хотел, чтобы [исследование] было проведено на большем массиве данных», - соглашается Хугенхольц. Тем не менее, он считает, что их исследование предлагает основу для картирования эволюционных историй других организмов. «Теперь, я думаю, мы действительно получим гораздо более полную и подробную картину того, как развивалась жизнь и метаболизм на нашей планете».