Международная группа ученых представила сенсационные данные, изменяющие представления о зарождении сложной жизни на Земле. Согласно новому исследованию, этот процесс начался значительно раньше и длился гораздо дольше, чем считалось до сих пор, проливая свет на условия, способствовавшие ранней эволюции и бросая вызов устоявшимся теориям о возникновении продвинутых клеточных структур.
Исследование, проведенное под руководством Университета Бристоля и опубликованное в престижном журнале Nature, демонстрирует, что сложные организмы начали развиваться задолго до того, как уровень кислорода в атмосфере Земли достиг значимых отметок. До этого открытия многие эксперты полагали, что обилие кислорода было необходимым условием для появления такой жизни.
Наша планета существует около 4,5 миллиарда лет, и первые микробные формы жизни появились на ней более четырех миллиардов лет назад. Эти примитивные организмы, состоявшие из бактерий и архей – группы, известной как прокариоты, – являлись единственной формой жизни на планете на протяжении сотен миллионов лет, как отмечает соавтор исследования Аня Спанг из Нидерландского института морских исследований. Впоследствии из них эволюционировали гораздо более сложные эукариотические клетки, которые стали основой для развития водорослей, грибов, растений и животных.
Профессор филогеномики Давиде Пизани из Университета Бристоля, также участвовавший в работе, подчеркивает, что прежние представления о механизмах и сроках превращения прокариотов в сложные эукариоты были в значительной степени умозрительными. Оценки разнились на миллиард лет из-за отсутствия промежуточных форм и убедительных ископаемых доказательств.
Чтобы прояснить этот давно обсуждаемый переход, команда исследователей усовершенствовала метод «молекулярных часов» – инструмент, позволяющий определить время, когда различные виды имели общего предка.
Подход ученых был двусторонним: они собрали данные секвенирования от сотен видов и, объединив их с известными палеонтологическими находками, построили «временное древо жизни». Этот каркас затем использовался для более точного определения хронологии исторических событий в отдельных семействах генов, поясняет соавтор исследования, профессор Том Уильямс из Университета Бата.
Анализируя более сотни семейств генов в различных биологических системах, исследователи сосредоточились на признаках, отличающих эукариотов от прокариотов. Это позволило им восстановить более четкую картину того, как развивались сложные клеточные структуры.
Полученные результаты показывают, что переход к клеточной сложности начался почти 2,9 миллиарда лет назад – это почти на миллиард лет раньше некоторых предыдущих оценок. Данные свидетельствуют о том, что такие структуры, как клеточное ядро, появились задолго до митохондрий. «Процесс кумулятивного усложнения происходил намного дольше, чем считалось ранее», – отмечает Гергели Сёллёши, руководитель группы эволюционной геномики на основе моделей в Окинавском институте науки и технологий (OIST).
Эти выводы позволили ученым опровергнуть некоторые существующие модели эукариогенеза – процесса эволюции сложных форм жизни. Поскольку полученные данные не соответствовали полностью ни одному из текущих объяснений, команда предложила новый сценарий, названный CALM – Complex Archaeon, Late Mitochondrion («Сложная архея, Поздняя митохондрия»).
Ведущий автор исследования доктор Кристофер Кей из Университета Бристоля поясняет, что уникальность новой работы заключается в детальном изучении функций семейств генов и взаимодействия белков – и все это во временном контексте. «Для этого потребовалась комбинация нескольких дисциплин: палеонтология для хронологии, филогенетика для построения точных эволюционных древ и молекулярная биология для контекстуализации этих семейств генов. Это была огромная работа», – говорит Кей.
Одним из наиболее значимых открытий стало то, что митохондрии возникли значительно позже, чем предполагалось. Время их появления совпадает с первым существенным увеличением кислорода в атмосфере, добавляет Филип Донохью, профессор палеобиологии из Университета Бристоля.
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 изобильным, в океанах, которые были полностью бескислородными.
