Біологія
Біологія

Кисневий фотосинтез виявився старшим на 500 мільйонів років

Новина оновлена 12.10.2021 о 16:47: виправлено помилки у заголовку та тексті. В оригінальній версії заголовка ми вказали, що кисневий фотосинтез виявся молодшим на 500 мільйонів років, хоча насправді — старшим. Крім цього, ми уточнили методи дослідження та видалили помилкове твердження про виникнення аноксигенного фотосинтезу в архей. Просимо вибачення у читачів.

Американські вчені встановили, що кисневий фотосинтез виник між 3,4 та 2,9 мільярда років тому – щонайменше за сотні мільйонів років до Великої кисневої події. Це вдалось з'ясувати, коли науковці уточнили час походження ціанобактерій, здатних до фотосинтезу. Різноманіття ціанобактерій виникло в архейсьому еоні, а сучасні морські види пікоціанобактерій з'явились у посткріогеновому періоді, повідомляє журнал Proceedings of the Royal Society B.

Що таке оксигенний фотосинтез і для чого знати його походження?

Глобальне значення фотосинтезу полягає у тому, що фотосинтезуючі організми утворюють кисень, використовуючи воду і вуглекислий газ. Аноксигенний бактеріальний фотосинтез (фоторедукція) є фототрофним процесом, за якого енергія світла поглинається і перетворюється в АТФ, але на відміну від оксигенного фотосинтезу — без утворення кисню і без використання води як донора електронів. Він властивий деяким сучасним бактеріям (пурпурові і зелені бактерії, геліобактерії), проте не передбачає накопичення кисню як одного із кінцевих продуктів. Тому походження всіх аеробних організмів на планеті пов’язують із виникненням саме оксигенного, або кисневого, фотосинтезу, що призвело до накопичення кисню в атмосфері.

Дізнатись про перші організми, які мали здатність до фотосинтезу, можна трьома шляхами: проаналізувати геноми сучасних організмів, дослідити різні геохімічні маркери поверхонь окиснення або вивчити мікроскам'янілості з протерозою — еону, який тривав приблизно з 2,5 мільярда років тому до 541 мільйона років тому. Визначення віку по скам'янілих рештках дає змогу встановити молекулярні годинники, за якими досліджують геноми. Проте часто при використанні цих різних методів діапазон визначення віку є дуже широким.

Вивчення горизонтального перенесення генів при визначенні віку підвищує точність проведення таких досліджень. На відміну від вертикальної передачі генів, коли організми успадковують гени від батьків, при горизонтальному перенесенні гени «перестрибують» від одного виду до іншого, віддалено спорідненого. Науковці Массачусетського технологічного інституту припустили, що група організмів, чий спільний предок отримав новий ген, еволюційно молодша за групу, з якої ген походить. На основі цього можна більш точно визначити походження ціанобактерій, у яких і виник кисневий фотосинтез.

Як визначали виникнення фотосинтезу?

Команда вчених шукала приклади горизонтального перенесення генів між геномами тисяч видів мікроорганізмів, включаючи ціанобактерії. Вони використали також нові культури ціанобактерій, щоб точніше використати викопні ціанобактерії для калібрування. Так вдалося встановити 34 приклади горизонтального перенесення генів.

Щоб визначити, коли ж виникли ціанобактерії, вчені зіставили дані про походження цих мікроорганізмів, отримані шляхом датування по скам’янілих рештках, аналізу молекулярних досліджень і знайдених випадків горизонтального перенесення генів. Дослідники міркували, що випадки горизонтального перенесення генів можна використати для конкретизації відносного віку між певними групами бактерій. Тоді вік цих груп можна порівняти з віком, який передбачають різні еволюційні моделі. Найближча модель, ймовірно, буде найточнішою, і тоді її можна використати для точної оцінки віку інших видів бактерій – зокрема, ціанобактерій.

Коли ж виник фотосинтез та ціанобактерії?

Застосувавши нову методику вивчення горизонтального перенесення генів для уточнення геохімічних, палеонтологічних і молекулярних даних, вдалося визначити, що оксигенний фотосинтез виник між 3,4 та 2,9 мільярда років тому – орієнтовно на 500 мільйонів років раніше Великої кисневої події. Дослідники встановили, що скам’янілі рештки ціанобактерій подібні до групи ціанобактерій архейського еону, що передував протерозойському, а сучасні морські групи пікоціанобактерій виникли після періоду кріогенію, який тривав орієнтовно з 720 до 635 мільйонів років тому.

Незадовго до Великої кисневої події (масштабної зміни умов довкілля близько 2,4 мільярда років тому внаслідок збільшення вмісту кисню в атмосфері) відбулось розгалуження ціанобактерій – виникла велика кількість нових видів. Тобто, можливо, внаслідок такого масштабного поширення і експансії ціанобактерій, які уже фотосинтезували упродовж мільйонів року, поступово наповнюючи атмосферу киснем, і відбулась Велика киснева подія.

Команда науковців надалі планує вивчати випадки горизонтального перенесення генів, щоб виявити походження інших «невловимих для науки» видів живих організмів і таких стародавніх мікроорганізмів, які не збереглись у скам’янілостях.

Попередні дослідження викопних решток підтвердили важливість грибів у колонізації суші — у Китаї було знайдено мікроскам'янілості грибів, вік яких налічує близько 635 мільйонів років.

молекулярні годинники
Молекулярний годинник (англ. molecular clock) — метод визначення часу появи нових видів чи зникнення уже існуючих, заснований на гіпотезі, що еволюційно важливі зміни у будові ДНК або білків відбуваються з незмінною швидкістю.