Właśnie zbliżyliśmy się do zidentyfikowania ważnego momentu w historii ewolucji Ziemi.

Dla ogromnej większości zwierząt na Ziemi oddychanie jest synonimem życia. Jednak przez pierwsze 2 miliardy lat istnienia naszej planety tlen był w rzadkim stanie.

Nie oznacza to, że Ziemia przez cały ten czas nie miała życia, ale że życie było rzadkie i bardzo różne od tego, co znamy dzisiaj.

Dopiero gdy na scenie pojawiły się bardziej złożone bakterie zdolne do fotosyntezy, wszystko zaczęło się zmieniać, wyzwalając to, co naukowcy nazywają Wielkim Wydarzeniem Utleniania. Ale kiedy to wszystko się stało? Jak to wszystko się trzęsło?

Nowa technika analizy genów dostarczyła wskazówek dotyczących nowej osi czasu. Szacuje się, że bakterie potrzebowały 400 milionów lat, aby pochłonąć promienie słoneczne i wydychać tlen, zanim życie mogło się rozkwitnąć.

Innymi słowy, na naszej planecie mogły istnieć organizmy zdolne do fotosyntezy na długo przed Wielkim Wydarzeniem Utleniania.

„W ewolucji rzeczy zawsze zaczynają się od małych rzeczy”. wyjaśniać Geolog Greg Fournier z Massachusetts Institute of Technology.

„Chociaż istnieją dowody na wczesną fotosyntezę tlenową, która jest najważniejszą i najbardziej zaskakującą innowacją ewolucyjną na Ziemi, na Ziemi zajęło setki milionów lat”.

Obecnie istnieją dwie konkurujące ze sobą wersje wyjaśniające ewolucję fotosyntezy w specjalnych bakteriach znanych jako cyjanobakterie. Niektórzy uważają, że naturalny proces przekształcania światła słonecznego w energię pojawił się na scenie ewolucyjnej bardzo wcześnie, ale rozwijał się „powolnym zapalnikiem”. Inni uważają, że fotosynteza ewoluowała później, ale „działała jak pożar”.

Wiele kontrowersji wynika z założeń dotyczących szybkości ewolucji bakterii i różnych interpretacji zapisu kopalnego.

Tak więc Fournier i jego koledzy dodali do tego kolejną formę analizy. W rzadkich przypadkach bakterie mogą czasami dziedziczyć geny nie od swoich rodziców, ale od innych, daleko spokrewnionych gatunków. Może się to zdarzyć, gdy inna komórka „zjada” i włączy do swojego genomu inne geny.

Naukowcy mogą wykorzystać te informacje do ustalenia względnego wieku różnych grup bakterii; Na przykład ci, którzy mają skradzione geny, musieli je zmodyfikować z gatunku, który był obecny w tym samym czasie.

Związki te można porównać do bardziej szczegółowych prób datowania, takich jak modele zegara molekularnego, które wykorzystują sekwencje genetyczne organizmów do śledzenia historii zmian genetycznych.

W tym celu naukowcy przeczesali genomy tysięcy gatunków bakterii, w tym sinic. Poszukiwali przypadków horyzontalnego transferu genów.

W sumie zidentyfikowali 34 wyraźne przykłady. Porównując te przykłady z sześcioma modelami zegara molekularnego, autorzy stwierdzili, że w szczególności jeden model jest zawsze bardziej odpowiedni. Wybierając ten rodzaj mieszania, zespół oszacował długość życia bakterii fotosyntetycznych.

Wyniki wskazują, że wszystkie żyjące obecnie cyjanobakterie mają wspólnego przodka, który istniał około 2,9 miliarda lat temu. Tymczasem dziadkowie te Przodkowie bakterii niefotosyntetycznych rozeszli się około 3,4 miliarda lat temu.

Fotosynteza prawdopodobnie wyewoluowała gdzieś pomiędzy tymi dwiema datami.

Zgodnie z preferowanym przez zespół modelem ewolucyjnym, sinice mogły dokonać fotosyntezy co najmniej 360 milionów lat przed orbitą geosynchroniczną. Jeśli mają rację, potwierdza to hipotezę „powolnego topnienia”.

„Ten nowy artykuł rzuca fundamentalne nowe światło na historię natleniania Ziemi, łącząc zapis kopalny na nowe sposoby z danymi genomowymi, w tym poziomymi transferami genów”. On mówi Biochemik Timothy Lyons z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside.

„Odkrycia mówią o początkach biologicznej produkcji tlenu i jej znaczeniu ekologicznym w sposób, który zapewnia istotne ograniczenia wczesnych wzorców i kontroli natleniania oceanów oraz późniejszej akumulacji w atmosferze”.

Autorzy mają nadzieję wykorzystać w przyszłości podobne techniki analizy genetycznej do analizy organizmów innych niż cyjanobakterie.

Badanie zostało opublikowane w Postępowanie Towarzystwa Królewskiego B.