Удалось проследить эволюцию самых базовых генов, имеющихся практически у всех живых организмов — и показать, что их появление миллиарды лет назад вызвало глобальные изменения целой планеты.
Гены катастрофы: Разглядывая предков

Около 550 млн лет назад жизнь на Земле резко изменилась. В отложениях, относящихся к тому периоду, обнаруживается множество окаменелых останков животных, до того не встречавшихся на планете. Судя по этим свидетельствам, все произошло настолько внезапно, что в науке этот период получил название Кембрийского взрыва — так интенсивно расширилось разнообразие жизни. Именно с той поры жизнь более или менее похожа на привычную нам картину. Но то, чем она была до того — предмет гораздо сложней для изучения.

Докембрийские организмы практически не оставили окаменелостей; этот огромный период, продлившийся бОльшую часть существования Земли плохо изучен и упорядочен. Однако жизнь того времени оставила следы повсюду, во всех современных организмах, и в нас с вами — в наших ДНК и РНК. Ведь, несмотря ни на что, мы являемся далекими потомками тех нехитрых предков.

Обнаружить эти следы, избавиться от накопленных за сотни миллионов лет эволюции изменений и просто «шума», — означает, по сути, восстановить геном докембрийских микроорганизмов на основе генома современных нам жителей Земли. Такую амбициозную задачу поставили перед собой ученые во главе с профессором Эриком Альмом (Eric Alm): используя мощные математические алгоритмы и производительность современных компьютеров, на базе уже довольно внушительной базы данных по геномам современных организмов — найти их общий знаменатель, геном, из которого могло развиться знакомое нам разнообразие жизни.

Ученые отобрали и проследили эволюцию тысяч генов из сотни живых организмов до момента их первого появления. Им удалось показать, что все эти гены сводятся к более-менее единому геному, существовавшему около 2,8−3,3 млрд. лет назад. В ту эпоху прослеживается довольно быстрое расширение генетического разнообразия, с начала которого и до нашего времени появилось около 27% всех существующих «семейств» генов. По аналогии, этот период назван «Архейским расширением» (Archean Expansion).

Огромная доля возникших с тех генов так или иначе связана с кислородом — защитой клеток от этого мощного окислителя, а затем — и эффективным его использованием в процессе дыхания. Этот факт позволяет заключить, что «Архейское расширение» может быть связано с кислородной катастрофой, глобальным изменением состава атмосферы, начавшемся около 2,5 млрд. лет назад. Именно тогда (благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов) воздух нашей планеты стал насыщаться молекулярным кислородом, что привело к быстрому массовому вымиранию неприспособленных для этого существ, создало колоссальное давление отбора на них — и появлению новых, приспособленных организмов.

«Пожалуй, это было самой огромной катастрофой за всю историю жизни на Земле, — говорит Эрик Альм, — К сожалению, у нас не осталось никаких биологических свидетельств о том периоде». (Заметим также, что пик кислородной катастрофы пришелся, по последним данным, на 1,2 млрд. лет назад — мы писали об этом в заметке «Революция отложена»).

К несколько более раннему периоду в работе Альма с коллегами относится появление генов, ответственных за сложнейшую систему переноса электронов — предка той, которая обеспечивает львиную долю получаемой энергии современным аэробным организмам в процессе окислительного фосфорилирования, а у растений и некоторых микробов — и фотосинтеза. Именно такая, современная и высокоэффективная форма фотосинтеза, которая стала возможной с появлением электронтранспортной цепи, могла обеспечить взрывное накопление кислорода в атмосфере — и всю связанную с этим катастрофу. Она же сделала всю жизнь в целом более эффективной в плане запасания и использования энергии.

Один из соавторов Эрика Альма говорит: «Мы, к сожалению, пока не можем уверенно заявить, что развитие системы переноса электронов непосредственно привело к «Архейскому расширению». Однако можно вполне резонно предположить, что доступ к намного большим количествам энергии позволило биосфере поддерживать существование намного более сложных систем».

По пресс-релизу MIT CEE