Исследование, проведённое Бристольским университетом и опубликованное в журнале Nature, исследование демонстрирует, что сложные организмы развивались задолго до того, как в атмосферу поступило достаточное количество кислорода, которое ранее рассматривалось как необходимое условие для эволюции сложных форм жизни.
«Примерно 4,5 миллиарда лет назад сформировалась Земля, а первые микроорганизмы возникли более 4 миллиарда лет назад. Эти организмы представляли собой две группы — бактерии и архей, близкие к ним, которые в совокупности называются прокариотами», — отмечает соавтор исследования Аня Спанг с кафедры микробиологии и биогеохимии Королевский нидерландский институт морских исследований.
На протяжении сотен миллионов лет единственными обитателями Земли были прокариоты, пока не возникли более развитые эукариотические клетки, к которым относятся водоросли, грибы, растения и животные.
Давиде Пизани, профессор филогеномики в Школе биологических наук По словам профессора Бристольского университета и одного из авторов исследования, прежние теории о процессе и сроках перехода от простых прокариотов к сложным эукариотам носили, в основном, гипотетический характер. Оценки сильно расходились – до миллиарда лет – из-за отсутствия промежуточных звеньев и недостатка убедительных палеонтологических данных».
Ученые создали методику для решения этих задач, модернизировав подход, известный как «молекулярные часы», который применяется для определения времени разделения двух видов. «Наш метод состоял из двух этапов: мы собрали информацию о последовательностях сотен видов и сопоставили ее с известными окаменелостями, чтобы построить древо жизни, учитывающее время. Затем мы использовали эту систему для более точной оценки времени исторических событий в пределах отдельных генетических семейств», — отметил соавтор исследования профессор Том Уильямс факультета естественных наук Университета Бата.
Изучив информацию о большом количестве семейств генов в разных биологических системах и обратив внимание на характеристики, которые выделяют эукариоты среди прокариот, исследователи начали выстраивать картину эволюции сложной жизни.
Неожиданно для ученых, новые данные свидетельствуют о том, что этот процесс стартовал приблизительно 2,9 миллиарда лет назад – на целую тысячелетие раньше, чем указывали предыдущие расчеты. Это позволяет предположить, что ядро и другие внутренние элементы планеты, вероятно, развивались значительно раньше митохондрий. «Постепенное усложнение происходило в течение более продолжительного времени, чем предполагалось», – отметил руководитель исследования Гергели Сёллёши.
Исследователи исключили ряд гипотез, касающихся эукариогенеза, поскольку полученные ими сведения не совпадали ни с одной из существующих теорий. Специалисты разработали альтернативный сценарий эволюции сложной жизни, подкрепленный конкретными данными.
Ведущий автор доктор Кристофер Кей, научный сотрудник Школы биологических наук Представитель Бристольского университета отметил, что ключевой особенностью данной работы стало подробное исследование функций генных семейств и взаимодействия белков – причем во временной последовательности. Для этого потребовалось сочетание различных научных направлений: палеонтологии для установления временной шкалы, филогенетики для построения точных и информативных эволюционных деревьев и молекулярной биологии для определения роли генных семейств. Это был весьма объемный проект».
«По словам автора, одним из важнейших открытий стало то, что митохондрии появились позднее, чем предполагалось ранее. Это событие совпадает по времени с началом значительного увеличения концентрации кислорода в атмосфере Филип Донохью, профессор палеобиологии в Школе наук о Земле Бристольского университета.
Эволюционная биология и геохимическая история Земли оказываются тесно взаимосвязаны. Происхождение эукариот, относящихся к царству архей, характеризуется приобретением сложных признаков примерно за один миллиард лет до того, как океаны насытились кислородом, и в период, когда в них кислорода не было.
[Фото: Dr Christopher Kay / University of Bristol]