지구의 초기 역사의 어느 시점에서, 시아노박테리아로 알려진 미생물 그룹이 산소 광합성(빛과 물을 에너지로 전환하면서 산소를 방출하는 능력)을 개발했을 때 행성이 거주할 수 있게 되었습니다.
이 진화의 순간은 대기와 바다에 산소가 축적되는 것을 가능하게 하여 다양화의 도미노 효과를 일으키고 오늘날 우리가 알고 있는 독특한 거주 가능한 행성을 형성했습니다.
이제 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 과학자들은 시아노박테리아와 산소 광합성이 처음 등장한 시기를 정확히 추정했습니다. 그들의 결과는 Proceedings of the Royal Society B에 게재되었습니다.
그들은 오늘날 살고 있는 모든 종류의 남세균이 약 29억 년 전에 나타난 공통 조상으로 거슬러 올라간다는 것을 보여주는 새로운 유전자 분석 기술을 개발했습니다. 그들은 또한 남조류의 조상이 약 34억 년 전에 다른 박테리아로부터 분리되었고 산소 광합성은 아마도 Archean eon 동안 5억 년 이상 진화했다는 것을 발견했습니다.
흥미롭게도 이 추정치는 지구 대기와 해양이 처음으로 산소 함량의 증가를 경험한 기간인 대산화 사건이 일어나기 최소 4억 년 전에 산소 광합성의 출현을 지적합니다. 이것은 시아노박테리아가 일찍 산소를 생산하는 능력을 발달시켰을 수 있지만 이 산소가 실제로 환경에 정착하는 데 시간이 걸렸다는 것을 암시합니다.
“진화는 작게 시작합니다.”라고 주저자인 MIT 지구대기 및 행성학과 지구생물학 부교수인 Greg Fournier가 말했습니다. "지구상에서 가장 중요하고 진정으로 놀라운 진화적 혁신인 초기 산소 광합성에 대한 증거가 있지만 개발을 시작하는 데 수억 년이 걸렸습니다."
산소 광합성의 기원에 대한 추정은 그 진화를 추적하는 방법과 마찬가지로 매우 다양합니다.
예를 들어, 과학자들은 지구화학적 도구를 사용하여 고대 암석에서 산화된 원소의 흔적을 찾을 수 있습니다. 이 방법은 산소가 이미 35억 년 전에 존재했다는 힌트를 발견했습니다. 이는 다른 소스가 가능하지만 광합성이 산소의 소스였을 수 있다는 표시입니다.
연구자들은 또한 오늘날 미생물의 유전적 서열을 사용하는 분자 시계 연대 측정을 사용하여 진화 역사 전반에 걸친 유전자 변화를 추적했습니다. 이러한 염기서열을 기반으로 과학자들은 모델을 사용하여 유기체 그룹이 처음 진화한 시기를 추적하기 위해 유전적 변화가 발생하는 속도를 추정합니다. 그러나 분자 시계의 연대 측정은 고대 화석의 질과 선택된 속도 모델에 의해 제한되며, 추정된 속도에 따라 나이를 다르게 추정할 수 있습니다.
Greg Fournier는 서로 다른 연령 추정치가 상충되는 진화론적 이야기를 암시할 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 일부 분석에서는 산소 광합성이 매우 일찍 발생하여 "느린 녹는 것처럼" 진화했다고 제안하는 반면, 다른 분석에서는 훨씬 늦게 나타나 "산불처럼 시작되어" 생물권에서 산소의 대산화 및 축적 사건을 촉발했다고 나타냅니다.
수평 유전자:
시아노박테리아와 산소 광합성의 기원 날짜를 정확히 밝히기 위해 Fournier와 그의 동료들은 분자 시계 연대 측정과 수평적 유전자 이동을 결합했습니다. 이는 화석이나 비율에 대한 가정에 전적으로 의존하지 않는 독립적인 방법입니다.
일반적으로 유기체는 부모로부터 유전될 때 "수직으로" 유전자를 상속합니다. 드문 경우지만 유전자가 한 종에서 멀리 떨어진 관련 종으로 전달될 수도 있습니다. 예를 들어, 한 세포는 다른 세포를 먹고 동시에 일부 새로운 유전자를 게놈에 통합할 수 있습니다.
이러한 수평적 유전자 이동의 역사가 발견되면 이 유전자를 획득한 유기체 그룹이 유전자가 시작된 그룹보다 진화적으로 더 젊다는 것이 분명해집니다. Fournier는 그러한 예가 특정 박테리아 그룹 간의 상대적인 연령을 결정하는 데 사용될 수 있다고 믿었습니다. 그런 다음 이 그룹의 나이를 다양한 분자 시계 모델에서 예측한 나이와 비교할 수 있습니다. 가장 근접한 모델은 가장 정확할 것이며 다른 박테리아 종의 나이, 특히 남조류의 나이를 정확하게 추정하는 데 사용할 수 있습니다.
이 추론에 따라 팀은 남조류를 포함한 수천 종의 박테리아 게놈에서 수평 유전자 전달 사례를 찾았습니다. 그들은 또한 화석 남세균을 보정으로 더 정확하게 사용하기 위해 현대 남세균의 새로운 배양물을 사용했습니다. 결국, 그들은 수평적 유전자 전달의 34가지 명확한 사례를 확인했습니다. 그런 다음 그들은 6개의 분자 시계 패턴 중 하나가 수평 유전자 전달 분석 팀이 결정한 상대 연령과 일관되게 일치한다는 것을 발견했습니다.
Fournier는 이 모델을 사용하여 오늘날 살아 있고 산소 광합성을 보유하는 모든 종을 포함하는 남조류의 "왕관" 그룹의 나이를 추정했습니다. 그들은 Archean eon 동안에 왕관 그룹이 약 29억 년 전에 생겨난 반면 시아노박테리아는 약 34억 년 전에 다른 박테리아와 완전히 분리되었다는 것을 발견했습니다. 이것은 산소 광합성이 GOE(Great Oxidative Event)보다 일찍 5억 년 전에 일어났고 시아노박테리아가 대기에 축적되기 시작하기 전에 꽤 오랜 시간 동안 산소를 생산했음을 강력하게 시사합니다.
분석은 또한 약 24억 년 전 GOE 직전에 남조류가 다양화의 급증을 경험했음을 보여주었습니다. 이것은 남조류의 급속한 증식이 산소를 대기 중으로 방출할 수 있음을 의미합니다.
Greg Fournier는 “우리 연구는 수평 유전자 전달(HGT)을 포함하는 분자 시계가 화석 기록을 남기지 않은 고대 미생물에 대해서도 생명 나무 전체에 걸쳐 연령 그룹을 안정적으로 제공할 것을 약속한다는 것을 보여줍니다. .
이번 연구는 영국 왕립학회 회보(Proceedings of the Royal Society B)에 게재됐다.
2021-10-03 04:59:08
작가: Vitalii Babkin