Ученые определили момент, когда стала возможной жизнь на Земле

Период, когда на Земле впервые возникли цианобактерии и кислородный фотосинтез, после чего на планете стало возможным развитие жизни, определили ученые в исследовании, опубликованном 29 сентября в журнале Proceedings of the Royal Society B.

Ученые Массачусетского технологического института разработали методику генного анализа, которая показала, что все виды современных цианобактерий или синезелёных водорослей могут быть прослежены до общего предка, который эволюционировал около 2,9 миллиарда лет назад. Они также обнаружили, что предки цианобактерий отделились от других бактерий около 3,4 миллиарда лет назад, причем кислородный фотосинтез, вероятно, развивался в течение последующих полумиллиарда лет, в течение архейского периода.

Интересно, что эта оценка указывает на появление кислородного фотосинтеза по меньшей мере за 400 миллионов лет до кислородной катастрофы, периода, в течение которого атмосфера и океаны Земли впервые испытали повышение содержания кислорода. Это говорит о том, что цианобактерии, возможно, развили способность вырабатывать кислород на ранней стадии, но потребовалось некоторое время, чтобы этот кислород действительно закрепился в окружающей среде.

«В эволюции все всегда начинается с малого, — сказал доцент Грег Фурнье из Массачусетского технологического института. — Несмотря на то, что есть доказательства раннего кислородного фотосинтеза, который является единственной наиболее важной и действительно удивительной эволюционной инновацией на Земле, для его запуска все равно потребовались сотни миллионов лет».

Чтобы точно датировать происхождение цианобактерий и кислородный фотосинтез, Фурнье и его коллеги объединили датировку методом молекулярных часов с горизонтальным переносом генов.

Обычно организм наследует ген «вертикально», когда он передается от родителя организма. В редких случаях ген может также переходить от одного вида к другому, отдаленно родственному виду. Например, одна клетка может съесть другую и в процессе включить некоторые новые гены в свой геном.

Когда обнаруживается такая история горизонтального переноса генов, становится ясно, что группа организмов, которая приобрела этот ген, эволюционно моложе группы, из которой произошел этот ген. Фурнье предположил, что такие примеры могут быть использованы для определения относительного возраста между определенными группами бактерий. Затем возраст этих групп можно было бы сравнить с возрастом, который предсказывают различные модели молекулярных часов.

В результате ученые выявили 34 явных случая горизонтального переноса генов. Затем они обнаружили, что одна из шести моделей молекулярных часов последовательно соответствовала относительному возрасту, определенному в горизонтальном анализе переноса генов.

Фурнье использовал эту модель, чтобы оценить возраст «коронной» группы цианобактерий, которая включает в себя все виды, живущие сегодня и обладающие кислородным фотосинтезом. Они обнаружили, что в течение архейского эона коронная группа возникла около 2,9 миллиардов 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 кислородной катастрофы, и что цианобактерии производили кислород в течение довольно долгого времени, прежде чем он накапливался в атмосфере.

Анализ также показал, что незадолго до кислородной катастрофы, около 2,4 миллиарда лет назад, цианобактерии испытали всплеск диверсификации. Это означает, что быстрое распространение цианобактерий могло повернуть Землю в кислородную катастрофу и выбросить кислород в атмосферу.