Сложная жизнь начала развиваться почти на миллиард лет раньше, чем считалось

Новое исследование показало, что сложная жизнь начала развиваться раньше и на протяжении более длительного периода времени, чем предполагалось ранее. Работа проливает новый свет на условия, необходимые для эволюции ранних организмов, и бросает вызов нескольким устоявшимся научным теориям в этой области.

Исследование, проведённое под руководством Бристольского университета и опубликованное в журнале Nature, указывает на то, что сложные организмы эволюционировали задолго до того, как в атмосфере появились существенные уровни кислорода. Ранее это считалось необходимым условием для эволюции сложной жизни.

Земле примерно 4.5 миллиарда лет, а первые микробные формы жизни появились более 4 миллиардов лет назад. Эти организмы состояли из двух групп — бактерий и отличных, но родственных архей, вместе известных как прокариоты.

Прокариоты были единственной формой жизни на Земле в течение сотен миллионов лет, пока не эволюционировали более сложные эукариотические клетки, включая такие организмы, как водоросли, грибы, растения и животные.

Предыдущие идеи о том, как и когда ранние прокариоты превратились в сложных эукариот, в значительной степени оставались областью спекуляций. Оценки охватывали миллиард лет, поскольку промежуточные формы отсутствуют, а убедительные ископаемые доказательства были недостаточными.

Однако совместная исследовательская группа разработала новый способ изучения этих вопросов, расширив метод «молекулярных часов», который используется для оценки того, как давно два вида имели общего предка.

Подход был двойным: собрав данные о последовательностях сотен видов и объединив их с известными ископаемыми свидетельствами, мы смогли создать временно разрешённое древо жизни. Затем мы применили эту основу, чтобы лучше определить время исторических событий внутри отдельных семейств генов.

Собрав свидетельства из множества семейств генов (всего более сотни) в нескольких биологических системах и сосредоточившись на чертах, отличающих эукариот от прокариот, команда смогла начать воссоздавать путь развития сложной жизни.

Удивительно, но исследователи обнаружили свидетельства того, что переход начался почти 2.9 миллиарда лет назад — почти на миллиард лет раньше, чем по некоторым другим оценкам. Это говорит о том, что ядро и другие внутренние структуры, по-видимому, эволюционировали значительно раньше митохондрий.

Процесс кумулятивного усложнения происходил в течение гораздо более длительного периода времени, чем считалось ранее.

Данные позволили учёным отвергнуть некоторые сценарии, предложенные для эукариогенеза (эволюции сложной жизни), и их данные не совсем соответствовали ни одной из существующих теорий. Следовательно, команда предложила новый основанный на доказательствах сценарий появления сложной жизни, который они назвали «CALM» — Complex Archaeon, Late Mitochondrion (Сложная архея, поздние митохондрии).

Что отличает это исследование, так это детальное изучение того, что на самом деле делают эти семейства генов — и какие белки взаимодействуют с какими — всё в абсолютном времени.

Для этого потребовалось сочетание ряда дисциплин: палеонтологии для определения временной шкалы, филогенетики для создания достоверных и полезных деревьев и молекулярной биологии для контекстуализации этих семейств генов. Это была большая работа.

Одним из наших наиболее значимых открытий было то, что митохондрии возникли значительно позже, чем ожидалось. Время их появления совпадает с первым существенным повышением уровня кислорода в атмосфере.

Это понимание напрямую связывает эволюционную биологию с геохимической историей Земли. Архейный предок эукариот начал развивать сложные черты примерно за миллиард лет до того, как кислород стал обильным, в океанах, которые были полностью аноксичными.