Focus op de oorsprong van de “meest significante enkele evolutionaire innovatie” van de aarde

Op een bepaald moment in de vroege geschiedenis van de aarde veranderde de planeet in de richting van bewoonbaarheid toen een groep avontuurlijke microben, bekend als cyanobacteriën, zuurstofrijke fotosynthese ontwikkelde – het vermogen om licht en water om te zetten in energie, waarbij zuurstof vrijkomt.

Dit evolutionaire moment zorgde ervoor dat zuurstof zich uiteindelijk ophoopte in de atmosfeer en oceanen, wat een domino-effect veroorzaakte van diversificatie en vorming van de uniek bewoonbare planeet die we vandaag kennen.

Nu hebben MIT-wetenschappers een nauwkeurige schatting van de tijd van cyanobacteriën en zuurstof FotosyntheseIk ben voor het eerst volwassen geworden. Hun resultaten verschijnen in Procedures van de Royal Society b.

zij ontwikkelden een nieuw genEen analysetechniek die aantoont dat alle cyanobacteriën die tegenwoordig leven, terug te voeren zijn op een gemeenschappelijke voorouder die ongeveer 2,9 miljard jaar geleden ontstond. Ze ontdekten ook dat de voorouders van cyanobacteriën ongeveer 3,4 miljard jaar geleden afweken van andere bacteriën, en dat zuurstofische fotosynthese zich waarschijnlijk binnen een half miljard jaar tijdens de Archaïsche tijd ontwikkelde.

Interessant is dat deze schatting de opkomst van zuurstoffotosynthese minstens 400 miljoen jaar vóór de Grote Oxidatie plaatst, de periode waarin de atmosfeer en de oceanen van de aarde voor het eerst een toename van zuurstof ervoeren. Dit suggereert dat cyanobacteriën mogelijk het vermogen hebben ontwikkeld om al vroeg zuurstof te produceren, maar dat het enige tijd duurde voordat deze zuurstof in het milieu was opgenomen.

“In evolutie beginnen dingen altijd klein”, zegt hoofdauteur Greg Fournier, universitair hoofddocent geobiologie aan het MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. “Hoewel er bewijs is van vroege zuurstoffotosynthese – wat de belangrijkste werkelijk verbazingwekkende evolutionaire innovatie op aarde is – duurde het honderden miljoenen jaren voordat het van de grond kwam.”

Fournier’s MIT co-auteurs zijn Kelsey Moore, Louise Tiberio-Rangel, Jack Payet, Lily Momber en Tanya Boussack.

Langzame zekering, of wildvuur?

Schattingen van de oorsprong van oxygenische fotosynthese lopen sterk uiteen, evenals methoden om de evolutie ervan te traceren.

Wetenschappers kunnen bijvoorbeeld geochemische hulpmiddelen gebruiken om sporen van geoxideerde elementen in oude rotsen te zoeken. Deze methoden hebben aanwijzingen gevonden dat zuurstof al 3,5 miljard jaar bestaat – een teken dat fotosynthese van zuurstof de bron kan zijn geweest, hoewel andere bronnen ook mogelijk zijn.

De onderzoekers gebruikten ook moleculaire klokdatering, die de genetische sequentie van de huidige microben gebruikt om veranderingen in genen door de evolutionaire geschiedenis te volgen. Op basis van deze sequenties gebruiken de onderzoekers de modellen vervolgens om de snelheid te schatten waarmee genetische veranderingen plaatsvinden, om te volgen wanneer groepen organismen voor het eerst zijn geëvolueerd. Maar de datering van moleculaire klokken wordt beperkt door de kwaliteit van de oude fossielen en het gekozen snelheidsmodel, dat verschillende leeftijdsschattingen kan produceren, afhankelijk van de aangenomen snelheid.

Fournier zegt dat verschillende leeftijdsschattingen tegenstrijdige evolutionaire verklaringen kunnen hebben. Sommige analyses suggereren bijvoorbeeld dat zuurstofische fotosynthese zich heel vroeg ontwikkelde en zich ontwikkelde “als een langzame lont”, terwijl andere suggereren dat het veel later verscheen en toen “brak als een lopend vuurtje” om de Grote Oxidatie-gebeurtenis en de ophoping van zuurstof in de oceaan bio.

“Om de geschiedenis van de bewoonbaarheid op aarde te begrijpen, is het belangrijk voor ons om onderscheid te maken tussen deze hypothesen”, zegt hij.

horizontale genen

Om de oorsprong van cyanobacteriën en zuurstoffotosynthese precies te dateren, koppelden Fournier en collega’s een moleculaire klok aan Horizontale genoverdrachtEen onafhankelijke methode die niet volledig afhankelijk is van fossielen of snelheidsaannames.

Normaal gesproken erft een organisme een gen dat “verticaal” is, wanneer het wordt doorgegeven van de ouder van het organisme. In zeldzame gevallen kan een gen ook van de ene soort naar een andere, verre verwante soort springen. U kunt bijvoorbeeld een andere cel eten en daarbij enkele nieuwe cellen opnemen genen in zijn genoom.

Wanneer een dergelijke geschiedenis van horizontale genoverdracht wordt gevonden, is het duidelijk dat de groep organismen die het gen hebben verworven evolutionair kleiner is dan de groep waaruit het gen is voortgekomen. Fournier concludeerde dat dergelijke gevallen kunnen worden gebruikt om de relatieve leeftijd van bepaalde bacteriële groepen te bepalen. De leeftijden van deze groepen kunnen vervolgens worden vergeleken met de leeftijden die worden voorspeld door verschillende moleculaire klokmodellen. Het dichtstbijzijnde model is waarschijnlijk het meest nauwkeurig en kan vervolgens worden gebruikt om de leeftijd van andere bacteriesoorten nauwkeurig te schatten, met name cyanobacteriën.

Volgens deze redenering zocht het team naar gevallen van horizontale genoverdracht over de genomen van duizenden bacteriesoorten, waaronder cyanobacteriën. Ze gebruikten ook nieuwe culturen van moderne cyanobacteriën, genomen door Bossac en Moore, om fossiele cyanobacteriën nauwkeuriger als titers te gebruiken. Uiteindelijk identificeerden ze 34 duidelijke gevallen van horizontale genoverdracht. Ze ontdekten vervolgens dat een op de zes moleculaire klokmodellen consistent overeenkwam met de relatieve leeftijden die werden geïdentificeerd in de horizontale genoverdrachtsanalyse van het team.

Fournier heeft dit model gebruikt om de leeftijd te schatten van de “kroon” -groep van cyanobacteriën, die alle soorten omvat die tegenwoordig leven en bekend staan ​​om hun vermogen om zuurstof te fotosynthetiseren. Ze ontdekten dat tijdens de Archaean de kroongroep ongeveer 2,9 miljard jaar geleden ontstond, terwijl de cyanobacteriën als geheel ongeveer 3,4 miljard jaar geleden afweken van andere bacteriën. Dit suggereert sterk dat zuurstoffotosynthese al 500 miljoen jaar vóór de Great Oxidation Event (GOE) plaatsvond en dat cyanobacteriën al zuurstof produceerden lang voordat het zich ophoopte in de atmosfeer.

Uit de analyse bleek ook dat kort voor de Egyptische regering, ongeveer 2,4 miljard jaar geleden, cyanobacteriën een golf van diversificatie doormaakten. Dit betekent dat de snelle expansie van cyanobacteriën de aarde mogelijk in GOE heeft geduwd en zuurstof in de atmosfeer heeft afgegeven.

Fournier is van plan om hierna horizontale genoverdracht te implementeren cyanobacteriën Om de oorsprong van andere ongrijpbare soorten te bepalen.

“Dit werk laat zien dat moleculaire klokken die horizontale genoverdrachten (HGT’s) bevatten, beloven om op betrouwbare wijze de leeftijd van de bevolking over de hele levensboom te bepalen, zelfs voor oude microben die geen fossielen hebben achtergelaten… wat voorheen onmogelijk was”, zegt Fournier.

Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door de Simmons Foundation en de National Science Foundation.