Дихання киснем у бактерій: Нова дата змінює історію еволюції життя

Фундаментальні уявлення про історію життя на нашій планеті зазнають перегляду завдяки новим дослідженням, що проливають світло на біохімічні можливості найдавніших мікроорганізмів. Нещодавнє відкриття свідчить про те, що певні типи бактерій почали використовувати кисень для дихання майже на мільярд років раніше, ніж досі вважалося в науковій спільноті. Ці висновки, що кидають виклик усталеним догмам, мають потенціал глибоко переформатувати наше розуміння ключових етапів еволюції життя на Землі, зокрема походження аеробного дихання та умов, які уможливили появу складних форм життя.

Протягом десятиліть панувала думка, що бактерії залишалися виключно анаеробними, тобто жили та отримували енергію без участі кисню, аж до так званої Великої кисневої події (Great Oxidation Event, GOE). Цей переломний момент в історії Землі, що стався приблизно 2.4 мільярди років тому, ознаменувався першим значним і стійким накопиченням вільного кисню в атмосфері планети, що драматично змінило біосферу та визначило подальший вектор еволюції. Вважалося, що саме поява атмосферного кисню стала тим тригером, який змусив мікроорганізми адаптуватися до нового, високореактивного газу, а згодом і навчитися використовувати його для значно ефективнішого виробництва енергії.

Однак нове дослідження, очолюване доктором Адріаном Арельяно Давіном з Окінавського інституту науки і технологій (OIST), Японія, представляє переконливі докази на користь зовсім іншого сценарію. Використовуючи передові методи аналізу, команда вчених дійшла висновку, що деякі бактеріальні лінії адаптувалися до використання кисню ще за 900 мільйонів років до Великої кисневої події, тобто приблизно 3.3 мільярди років тому. Це вражаюче відкриття свідчить про те, що кисень, хоч і не був домінуючим компонентом атмосфери, ймовірно, існував у вигляді локальних «кишень» або оаз в ізольованих середовищах на ранній Землі задовго до GOE. Ці осередки могли стати своєрідними еволюційними колисками для перших аеробних мікробів.

Щоб реконструювати цю прадавню історію метаболізму, команда дослідників застосувала потужний комбінований підхід. Вони використали методи машинного навчання та філогенетичної реконсиліації (методу порівняння еволюційних дерев генів та видів для виявлення еволюційних подій) для аналізу величезного набору даних, що включав 1007 повних бактеріальних геномів. Цей комплексний підхід дозволив вченим визначити, в який момент еволюційної історії певні мікробні групи перейшли від анаеробного до аеробного метаболізму, тобто навчилися «дихати» киснем. Інтеграція геномних даних з наявними геологічними та палеонтологічними свідченнями (хоча скам'янілості мікробів рідкісні та часто неінформативні щодо метаболізму) дозволила побудувати детальну хронологію, оцінюючи час виникнення здатності до використання кисню у різних бактеріальних гілках.

«Цей комбінований підхід, що використовує геномні дані, скам'янілості та геохімічну історію Землі, вносить нову ясність в еволюційні часові шкали, особливо для мікробних груп, які не мають викопного літопису», — зазначив професор Гергелі Сьолльоші, керівник відділу модельної еволюційної геноміки в OIST та співавтор дослідження. Саме такий синтез різних типів даних дозволяє зазирнути в глибоке минуле мікробного життя з безпрецедентною точністю.

Здатність дихати киснем надає організмам величезну біохімічну перевагу. Аеробне дихання є набагато ефективнішим процесом виробництва енергії (у вигляді молекул АТФ), ніж анаеробні шляхи, такі як бродіння чи анаеробне дихання з використанням інших акцепторів електронів. Розрахунки показують, що аеробне дихання може генерувати в десятки разів більше енергії з тієї ж кількості поживних речовин. Тому навіть незначні сліди кисню в локальних середовищах могли дозволити раннім бактеріям, які адаптувалися до його використання, виробляти значно більше енергії. Це, у свою чергу, підвищувало їхні шанси на виживання, ріст та розмноження порівняно з їхніми анаеробними конкурентами. Ця перевага могла стати потужним рушієм еволюції, призводячи до швидшої диверсифікації (розгалуження) аеробних ліній з часом і закладаючи біохімічну основу для подальших еволюційних інновацій, включно з еволюцією фотосинтезу, який сам по собі виробляє кисень.

«Наша робота також показує, що моделювання мікробних ознак за їхніми геномами за допомогою машинного навчання добре працює для вивчення поширення аеробних метаболізмів», — пояснив доктор Том Вільямс зі Школи біологічних наук Брістольського університету, ще один учасник дослідження. Це підтверджує потенціал сучасних обчислювальних методів для реконструкції еволюції метаболічних шляхів.

Дослідження також пропонує нове розуміння еволюції ціанобактерій — групи мікроорганізмів, відповідальних за винахід кисневого фотосинтезу, процесу, який врешті-решт і призвів до Великої кисневої події. Аналіз даних свідчить про те, що предок сучасних ціанобактерій, можливо, вже мав певну толерантність до кисню або навіть здатність його використовувати ще до того, як еволюціонували гени, відповідальні безпосередньо за кисневий фотосинтез. Це може означати, що здатність використовувати кисень та здатність його виробляти за допомогою фотосинтезу могли еволюціонувати паралельно або в тісній взаємодії, а не суворо послідовно, як часто припускалося раніше. Такий сценарій змінює уявлення вчених про хронологію метаболічних інновацій на зорі життя. Можливо, здатність справлятися з токсичними ефектами кисню була необхідною передумовою для еволюції процесу, що його виробляє.

Інтегруючи геномні, викопні та геохімічні дані, дослідники змогли реконструювати філогенетичні дерева бактеріальної еволюції, що сягають корінням у Гадейську та ранню Архейську ери, тобто понад 3.9 мільярди років тому. Вони виявили, що багато ознак, пов'язаних з аеробним метаболізмом, з'явилися значно раніше за глобальні зміни в атмосфері, хоча їх поширення, ймовірно, було обмежене специфічними екологічними нішами, де кисень був доступний.

«Це комбіноване використання різних типів даних може допомогти нам з'ясувати не тільки, коли еволюціонували бактерії, але й як вони адаптувалися до мінливих умов ранньої Землі», — підсумував доктор Давін. Це дослідження є яскравим прикладом того, як сучасна наука, поєднуючи різні дисципліни та методи, може реконструювати найдавніші сторінки історії життя, змушуючи нас переглядати, здавалося б, непорушні істини та відкриваючи нові горизонти для розуміння нашого власного походження та потенціалу для життя у Всесвіті.