Расшифровка геномных окаменелостей возрастом 3 миллиарда лет

Около 580 миллионов лет назад начался кембрийский взрыв — период быстрых изменений и появления новых форм жизни. Однако восстановить картину жизни в течение 3 миллиардов лет до кембрия сложно, так как мягкотелые докембрийские клетки редко оставляли окаменелости. Но они оставили другой микроскопический след: ДНК.

Учёные из MIT использовали современные геномы для реконструкции эволюции древних микробов. Они объединили данные из библиотеки геномов с математической моделью, учитывающей пути эволюции генов: возникновение новых семейств генов, горизонтальный перенос, дупликацию и потерю генов.

Проследив тысячи генов из 100 современных геномов до момента их первого появления на Земле, учёные создали «геномную окаменелость». Она показывает не только время возникновения генов, но и то, какие древние микробы ими обладали.

Исследование показало, что коллективный геном всего живого пережил Архейскую экспансию между 3,3 и 2,8 миллиарда лет назад. За это время возникло 27% всех существующих ныне семейств генов.

Первоначально учёные предположили, что причиной экспансии стало появление кислорода (Великое кислородное событие ~2,5 млрд лет назад). Однако гены, использующие кислород, появились лишь в самом конце Архейской экспансии, около 2,8 миллиарда лет назад.

Вместо этого, по мнению исследователей, они зафиксировали рождение современного электронного транспорта — биохимического процесса, ответственного за перенос электронов в клеточных мембранах. Этот процесс лежит в основе дыхания кислородом и фотосинтеза у растений и некоторых микробов.

Эволюция электронного транспорта в тот период могла обеспечить ключевые этапы в истории жизни, включая фотосинтез и дыхание, что позволило биосфере запасать гораздо больше энергии.

«Наши результаты не могут утверждать, что развитие электронного транспорта напрямую вызвало Архейскую экспансию. Тем не менее, можно предположить, что доступ к гораздо большему энергетическому бюджету позволил биосфере содержать более крупные и сложные микробные экосистемы», — говорит Лоуренс Дэвид.

Анализ также показал, что после Архейской экспансии в геномах увеличилась доля генов, использующих кислород, а также ферментов, связанных с медью и молибденом, что согласуется с геологической летописью.

«Поразительно, что история древнейших событий записана в общей ДНК живых организмов. Теперь, когда мы начинаем понимать, как расшифровать эту историю, у меня есть надежда, что мы сможем восстановить некоторые из самых ранних событий в эволюции жизни в деталях», — заключает Эрик Алм.