地球の初期の歴史のある時点で、シアノバクテリアとして知られる微生物のグループが酸素光合成（酸素を放出しながら光と水をエネルギーに変換する能力）を発達させたとき、惑星は居住可能になりました。
この進化の瞬間は、大気と海洋における酸素の蓄積を可能にし、多様化のドミノ効果を引き起こし、今日私たちが知っているユニークな居住可能な惑星を形成しました。
現在、マサチューセッツ工科大学の科学者は、シアノバクテリアと酸素光合成が最初に出現した時期を正確に推定しています。それらの結果は、英国王立協会紀要Bに掲載されました。
彼らは、今日生きているすべてのタイプのシアノバクテリアが約29億年前に出現した共通の祖先に戻ることを示す新しい遺伝子分析技術を開発しました。彼らはまた、シアノバクテリアの祖先が約34億年前に他のバクテリアから分裂し、太古代の時代に酸素光合成がおそらく5億年以上にわたって進化したことを発見しました。
興味深いことに、この推定値は、地球の大気と海洋が最初に酸素含有量の増加を経験した時期である大酸化イベントの少なくとも4億年前に酸素光合成が出現したことを示しています。これは、シアノバクテリアが早期に酸素を生成する能力を発達させた可能性があることを示唆していますが、この酸素が実際に環境に定着するまでにはしばらく時間がかかりました。
「進化は小さく始まります」と、MITの地球大気惑星学部の地球生物学部の准教授である筆頭著者のGregFournierは述べています。 「地球上で最も重要で本当に驚くべき進化の革新である初期の酸素光合成の証拠はありますが、それがその開発を始めるのに何億年もかかりました。」
酸素光合成の起源の推定は、その進化を追跡する方法と同様に、大きく異なります。
たとえば、科学者は地球化学的ツールを使用して、古代の岩石に含まれる酸化元素の痕跡を探すことができます。これらの方法は、早くも35億年前に酸素が存在していたというヒントを発見しました。これは、他の供給源も可能ですが、光合成が酸素源であった可能性があることを示しています。
研究者たちはまた、今日の微生物の遺伝子配列を使用する分子時計年代測定を使用して、進化の歴史を通して遺伝子の変化を追跡しました。次に、これらのシーケンスに基づいて、科学者はモデルを使用して、生物のグループが最初に進化した時期を追跡するために、遺伝的変化が発生している速度を推定します。しかし、分子時計の年代測定は、古代の化石の品質と選択された速度モデルによって制限されます。これにより、推定速度に応じて、年齢の推定値が異なります。
グレッグ・フルニエは、異なる年齢の推定値は、矛盾する進化論の物語を暗示しているかもしれないと言います。たとえば、一部の分析は、酸素光合成が非常に早く発達し、「ゆっくりと溶けるように」進化したことを示唆していますが、他の分析は、それがはるかに遅く現れ、その後「山火事のように離陸」して、生物圏の酸素の大量酸化と蓄積イベントを引き起こしたことを示しています。
水平遺伝子：
シアノバクテリアと酸素光合成の起源の日付を正確に特定するために、Fournierと彼の同僚は、分子時計の年代測定と遺伝子の水平伝播を組み合わせました。これは、化石や速度に関する仮定に完全に依存しない独立した方法です。
通常、生物はその親から受け継がれるときに「垂直に」遺伝子を継承します。まれに、遺伝子が1つの種から別の遠縁の種に移ることもあります。たとえば、ある細胞が別の細胞を食べると同時に、いくつかの新しい遺伝子をそのゲノムに組み込むことができます。
このような遺伝子の水平伝播の歴史が発見されると、この遺伝子を獲得した生物のグループは、遺伝子の起源のグループよりも進化的に若いことが明らかになります。 Fournierは、そのような例を使用して、特定の細菌グループ間の相対年齢を決定できると考えていました。次に、これらのグループの年齢を、さまざまな分子時計モデルによって予測された年齢と比較することができます。最も近いモデルが最も正確である可能性が高く、他の細菌種、特にシアノバクテリアの年齢を正確に推定するために使用できます。
この推論に続いて、チームはシアノバクテリアを含む数千の細菌種のゲノムにおける遺伝子の水平伝播の事例を探しました。彼らはまた、現代のシアノバクテリアの新しい培養物を使用して、化石シアノバクテリアをキャリブレーションとしてより正確に使用しました。結局、彼らは遺伝子の水平伝播の34の明確な症例を特定した。次に彼らは、6つの分子時計パターンの1つが、遺伝子の水平伝播分析チームによって決定された相対年齢と一貫して一致していることを発見しました。
Fournierはこのモデルを使用して、シアノバクテリアの「クラウン」グループの年齢を推定しました。これには、今日生きており、酸素光合成を持っているすべての種が含まれます。彼らは、始生代の間に、王冠群が約29億年前に発生したのに対し、シアノバクテリアは全体として約34億年前に他の細菌から分裂したことを発見しました。これは、酸素光合成が大酸化イベント（GOE）の5億年前に起こったこと、およびシアノバクテリアが大気中に蓄積し始める前にかなり長い間酸素を生成したことを強く示唆しています。
分析はまた、GOEの直前、約24億年前に、シアノバクテリアが多様化の急増を経験したことを示しました。これは、シアノバクテリアの急速な増殖が酸素を大気中に放出する可能性があることを意味します。
「私たちの研究は、遺伝子の水平伝播（HGT）を伴う分子時計が、化石の記録を残していない古代の微生物に対してさえ、生命の木全体に年齢層を確実に提供することを約束していることを示しています...これは以前は不可能でした」とGregFournierは言います。 。
この研究は、英国王立協会紀要Bに掲載されました。
2021-10-03 04:59:08
著者: Vitalii Babkin