Исследование раскрывает эволюционное древо диатомей, показав всплеск видообразования 170 млн лет назад

Диатомовые водоросли, группа фотосинтезирующих микроводорослей, производят 20% кислорода Земли и являются основой водных пищевых сетей. Их распространённость и разнообразие делают их эволюционную историю важной частью общей картины жизни на планете.

Новое исследование под руководством учёных из Университета Арканзаса (U of A) показало, что диатомеи эволюционировали медленно в первые 100 миллионов лет своего существования. Затем, 170 миллионов лет назад, они достигли переломного момента, характеризующегося всплеском быстрого видообразования, на порядки более быстрого, чем всё, что было до этого. Это включало изменения их формы, размера и способа размножения, а также неоднократные переходы из океанов в пресноводные системы — обычно сложный барьер для водных видов.

С предполагаемыми 100 000 видов диатомеи сейчас являются одной из самых разнообразных групп микроводорослей. Они настолько малы, что десятки помещаются на кончике булавки, и встречаются почти везде, где есть вода и солнечный свет.

Статья, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, подготовлена под руководством первого автора Эндрю Алверсона, профессора биологических наук в U of A. Работа представляет собой результат почти десятилетнего интенсивного анализа. Восемь из 15 авторов статьи были или являются сотрудниками U of A.

Большая часть времени была потрачена на объединение палеонтологических данных о диатомеях с вновь секвенированными транскриптомами (генами, экспрессируемыми организмом) 181 вида диатомей для реконструкции паттерна, времени и геномного контекста основных эволюционных переходов. В общей сложности команда секвенировала тысячи генов, чтобы восстановить генеалогическое древо диатомей, что ранее не делалось в таком масштабе.

Алверсон отметил, что одной из характеристик этого эволюционного всплеска стало, в эволюционном смысле, внезапное увеличение генетических дупликаций — эквивалент получения не одного набора хромосом от каждого родителя, как у людей, а двух наборов.

«Дупликации генома связаны с такими событиями диверсификации, — пояснил Алверсон. — Это создаёт много материала для эволюции, потому что теперь вы продублировали весь генетический материал. У других групп, например, у цветковых растений, их история усыпана такими событиями дупликации генома, которые связаны со всплесками разнообразия».

Понимание того, как эволюционировали диатомеи, также помогает дополнить картину эволюции других биологических процессов на Земле.

«Теперь, когда мы знаем временные рамки эволюции диатомей, — объяснил Алверсон, — мы можем наложить на них многое, и одна из этих вещей — история океана. Существует много данных о том, как океан менялся на протяжении тысячелетий, а диатомеи играют важную роль в экологии океана и биогеохимии циклов азота, кремния и фосфора.

Теперь мы можем взять то, что знаем об изменениях в океане, и наложить на эту историю диатомей. Мы можем начать устанавливать корреляции: когда кремний, составляющий 25% земной коры, начал резко снижаться в океанах по мере увеличения численности диатомей. Одновременно мы видим рост уровня кислорода в атмосфере, так что можно начать накладывать эту временную шкалу на историю Земли и океана и делать выводы о роли диатомей».

Теперь, когда этот переломный момент, явный разрыв с прошлым, идентифицирован, следующая загадка — почему? Что произошло, чтобы спровоцировать этот эволюционный всплеск активности? Были ли изменения в атмосфере или окружающей среде? Вымерли ли другие организмы, освободив нишу для диатомей?

Хотя у Алверсона есть некоторые предположения, но пока нет определённых ответов, он продолжит отстаивать необходимость лучшего понимания эволюции диатомей.