Древние формы жизни скорее всего обладали метаболизмом, который трансформировал атмосферу ранней Земли. Они запустили углеродный цикл, и сформировали большую часть кислорода планеты посредством фотосинтеза.
Виноваты метаногены
Около 3,5 миллиарда лет назад Земля, похоже, уже была покрыта жидкими океанами. Но Солнце в то время не было достаточно ярким и теплым, чтобы растопить лед. Для объяснения того, как океаны смогли остаться незамерзшими, появилось предположение, что виной всему парниковые газы. Такие, например как метан. Они нагревали раннюю атмосферу. Как это происходит и сейчас в условиях глобального потепления.
Почти весь встречающийся на Земле метан в основном производится определенной группой микробов. Это метаногенные археи, или метаногены. Их метаболизм называется метаногенезом. Несмотря на наличие некоторых данных, полученных при анализе изотопов углерода возрастом 3,5 миллиарда лет, указывающих на то, что источники метана, возможно, были биологическими по происхождению, до сих пор не было убедительных доказательств тому, что метан-продуцирующие микробы существовали в этот период истории Земли. И были ответственны за сохранение ранней Земли достаточно теплой.
В статье, опубликованной в журнале Nature Ecology and Evolution, Джо Вулф, ученый Отдела Земли, Атмосферной и Планетарной Наук (EAPS) Массачусетского технологического института, и Григорий Фурнье, доцент EAPS, сообщают о новой интересной работе. В ней сочетались исследования горизонтального переноса генов с микробными следами ископаемых. Это позволило исследователям оценить абсолютные возрасты для микробов, продуцирующих метан, на геологическом графике.
Палеонтология встречается с генетикой
Вулф – палеонтолог. Он специализирующийся на изучении связей ископаемых и живых видов животных в древе жизни. Фурнье специализируется на изучении того, как геномы живых организмов могут быть использованы для изучения ранней эволюции микробов. Решение этой головоломки требовало специалистов в обеих областях знаний.
«Анализ химических данных свидетельствует о том, что метан и метаногены, которые его производили, могли присутствовать в образцах. Однако мы не понимали, действительно ли были обнаружены метаногенные археи», – говорит Вулф.
Чтобы проследить связь между ископаемыми и геномными данными, Вулф и Фурнье использовали геномы живых микробов, которые хранят историю своей ранней эволюции. Исследователи пояснили, что эти последовательности ДНК можно получить путем филогенетического анализа. И можно сравнить их друг с другом, чтобы найти лучшее ветвящееся «дерево», которое описывает их эволюцию. Когда ученые изучают это дерево, его ветви представляют собой все более древние линии родословных микробов, которые существовали в глубокой истории Земли. Изменения в этих ветвях можно измерить. Таким образом можно создать некие молекулярные часы, которые вычисляют скорость эволюции вдоль каждой ветви. И, следовательно, вероятностную оценку относительного и абсолютного времени существования общих предков внутри дерева. Однако молекулярные часы требуют наличия окаменелостей метаногенов. Которых у ученых нет.
Калибровка древа жизни
Чтобы решить эту задачу, Вулф и Фурнье использовали механизм горизонтальной передачи генов между предками разных групп организмов. В отличие от вертикальной передачи ДНК от родителя к потомству (именно так унаследовал большинство генов человек), горизонтальная передача может передавать гены между слабо эволюционно связанными микроорганизмами. Исследователи обнаружили, что гены передавались из группы метаногенных архей предку всех продуцирующих кислород фотосинтетических цианобактерий. Некоторые окаменелости которых у ученых есть. Используя передачу генов и цианобактериальные окаменелости, исследователи смогли воссоздать молекулярные часы производителей метана. И обнаружили, что микробы, продуцирующие метан, то есть метаногены, действительно были старше 3,5 миллиарда лет,
«Это первое исследование, в котором сочетаются передача генов и окаменелости для оценки абсолютных возрастов микробов на геологическом графике», – говорит Фурнье. «Знание возрастов микробных групп позволяет нам расширить новый подход к изучению других событий в ранней планетарной и экологической эволюции. И, в конечном итоге, построить временные рамки для дерева всей жизни».