Sinice są kluczowym gatunkiem w historii Ziemi, ponieważ po raz pierwszy wprowadziły tlen do atmosfery. Analiza ich ewolucji dostarcza zatem ważnych informacji na temat powstawania współczesnych ekosystemów tlenowych. Przez długi czas pewien rodzaj lipidów kopalnych, tak zwane 2-metylohopany, był uważany za ważny biomarker sinic w osadach, z których niektóre liczą setki milionów lat.

Stało się to jednak wątpliwe, gdy okazało się, że nie tylko cyjanobakterie, ale także alfaproteobakterie są genetycznie zdolne do wytwarzania tych lipidów.

Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Yosuke Hoshino z Niemieckiego Centrum Badań Nauk o Ziemi GFZ i Benjamina Nettersheima z MARUM – Centrum Nauk o Środowisku Morskim na Uniwersytecie w Bremie badał obecnie dywersyfikację filogenetyczną i rozmieszczenie genów – w tym HpnP – które są odpowiedzialne za do syntezy lipidów macierzystych 2-metylohopanów: badaczom udało się rozszyfrować, kiedy te geny zostały nabyte przez określone grupy organizmów.

Udało im się wykazać, że HpnP prawdopodobnie był już obecny u ostatniego wspólnego przodka sinic ponad dwa miliardy lat temu, podczas gdy gen pojawił się u Alphaproteobacteria dopiero około 750 milionów lat temu. W dawnych czasach 2-metylohopany mogły zatem służyć jako wyraźny biomarker sinic wytwarzających tlen.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Ekologia i ewolucja przyrodypokazuje, jak genetyka w interakcji z sedymentologią, paleobiologią i geochemią może poprawić wartość diagnostyczną biomarkerów i udoskonalić rekonstrukcję wczesnych ekosystemów.

Znaczenie sinic w historii Ziemi

Sinice odegrały kluczową rolę w przekształceniu Ziemi z początkowego stanu beztlenowego w nowoczesny, bogaty w tlen system, w którym możliwe jest coraz bardziej złożone życie.

Sinice były prawdopodobnie jedyną istotną grupą organizmów, która przekształcała substancje nieorganiczne w organiczne (tzw. pierwotni producenci) i produkowała tlen na długich odcinkach prekambru (około czterech miliardów lat historii Ziemi, od jej początków do około 540 r. milion lat temu).

Dlatego analiza ich ewolucji ma ogromne znaczenie dla zrozumienia wspólnej historii życia i Ziemi.

Znaczenie lipidów kopalnych jako biomarkerów

W zasadzie skamieniałości całych cyjanobakterii mogą służyć jako wskaźnik obecności fotosyntezy tlenowej w przeszłości geologicznej. Jednak ze względu na błędy konserwatorskie i niejasności w rozpoznawaniu kopalnych komórek cyjanobakterii, geochemicy używają raczej skamieniałych lipidów diagnostycznych, takich jak 2-metylohopany. 2-metylohopanoidy (nieskamieniałe cząsteczki macierzyste) są wytwarzane przez bakterie i – w przeciwieństwie do samych bakterii – mogą zostać skamieniałe i wykryte w skałach osadowych nawet po setkach milionów lat w dobrej jakości i ilościach odpowiadających ich pierwotnemu wystąpieniu .

Jednakże ostatnio pojawiły się wątpliwości co do przydatności 2-metylohopanu jako biomarkera sinic: odkrycie genu biosyntezy lipidów ujawniło, że Alphaproteobacteria są również zdolne do wytwarzania tych lipidów. Oznacza to, że tymczasowe śledzenie procesów wytwarzania tlenu na Ziemi przez 2-metylohopany nie jest już możliwe.

Nowe podejście: kompleksowa analiza genetyczna połączona z nowymi analizami osadów o wysokiej czystości

Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Yosuke Hoshino i Christiana Hallmanna, naukowców z GFZ Sekcja 3.2 „Geochemia organiczna” oraz Benjamina Nettersheima z MARUM na Uniwersytecie w Bremie, systematycznie badał, które organizmy inne niż sinice posiadają geny (w skrócie SC i geny HpnP) niezbędne do produkcji 2-metylohopanoidów oraz kiedy nabyły te geny w trakcie ewolucji.

W ten sposób zespołowi udało się wykazać, że kopalny lipid, 2-metylohopan, można w dalszym ciągu wykorzystywać jako wyraźny biomarker istnienia cyjanobakterii od czasów sięgających ponad 750 milionów lat.

Ponadto badacze stworzyli zintegrowany zapis produkcji 2-metylohopanu na przestrzeni historii Ziemi. W tym celu połączyli swoje dane molekularne z nowymi analizami osadów przeprowadzonymi w warunkach wysokiej czystości.

„Zaproponowana przez nas metoda ma w zasadzie zastosowanie do dowolnej materii organicznej w archiwach geologicznych i ma ogromny potencjał śledzenia ewolucji różnych ekosystemów ze znacznie większą rozdzielczością czasową i przestrzenną niż wcześniej” – podsumowuje Hoshino.

Metodologia I: Badania obliczeniowe do analizy genetycznej

W celu analizy powiązań genetycznych Hoshino przeszukał publicznie dostępne bazy danych, zawierające miliony sekwencji genów i białek, w poszukiwaniu organizmów z genami SC i HpnP.

Na podstawie tego zbioru danych genetycznych stworzył tak zwane drzewa filogenetyczne, które dostarczają informacji o tym, w jaki sposób geny SC i HpnP były przenoszone między różnymi organizmami oraz czy transfer genów odbywał się pionowo poprzez dziedziczenie, czy poziomo między organizmami niepowiązanymi ewolucyjnie.

Co więcej, badaczom udało się także ustalić, kiedy w historii ewolucji genów miały miejsce poszczególne transfery genów, porównując poprzednie badania, w których wykorzystano tak zwaną technikę zegara molekularnego, która uwzględnia tempo mutacji DNA i szacuje harmonogram powstania genu. ewolucja.

Metodologia II: Nowy rodzaj ultraczystego przygotowania próbki

Ponadto, ponieważ zapisy biomarkerów prekambryjskich są niezwykle wrażliwe na zanieczyszczenia, naukowcy zastosowali ultraczystą metodę ekstrakcji materii organicznej z rdzeni osadów. Próbki geologiczne w postaci rdzeni pobrało kilku współautorów z 16 krajów. Reprezentują różne okresy geologiczne, od paleoproterozoiku (2,5 miliarda lat temu) do współczesności. Następnie zmierzono względną zawartość 2-metylohopanów w materii organicznej.

Wyniki szczegółowo

Istnieje wiele bakterii posiadających zarówno geny SC, jak i HpnP, ale są to głównie cyjanobakterie i alfaproteobakterie. Stwierdzono, że każda grupa nabyła te dwa geny niezależnie.

Kontrastuje to z wcześniejszymi badaniami, które wykazały, że sinice nabyły te geny od Alphaproteobacteria na późnym etapie swojej ewolucji. Nowe badanie ujawniło ponadto, że wspólny przodek cyjanobakterii posiadał oba geny już ponad 2,4 miliarda lat temu, kiedy tlen zaczął gromadzić się w atmosferze podczas tak zwanego Wielkiego Wydarzenia Utleniania.

Natomiast Alphaproteobacteria nabyły geny SC i HpnP najwcześniej zaledwie 750 milionów lat temu. Wcześniej 2-metylohopanoidy były zatem produkowane wyłącznie przez cyjanobakterie. Naukowcy interpretują nieco opóźniony wzrost osadowych 2-metylohopanów około 600 milionów lat temu jako oznakę globalnego rozprzestrzeniania się Alphaproteobacteria, co mogło sprzyjać równoczesnemu ewolucyjnemu wzrostowi glonów eukariotycznych.

Podsumowanie i perspektywy

„Wspomniane powyżej poszczególne metody analityczne nie są nowe, jednak niewielu badaczy podejmowało już wcześniej próby przeprowadzenia kompleksowych analiz dla SC i HpnP oraz integracji danych genetycznych z danymi dotyczącymi biomarkerów osadowych, gdyż wymaga to połączenia dwóch zupełnie różnych dyscyplin naukowych – biologii molekularnej i geochemii organicznej – mówi Hoshino.

„Źródło osadowych 2-metylohopanów było tematem długiej debaty” – dodaje Christian Hallmann. „To nowe badanie nie tylko zapewnia jasność co do diagnostyczności 2-metylohopanów i roli sinic w głębokim czasie; jego metodologia oferuje nową drogę do udoskonalenia diagnostyczności, teoretycznie, dowolnego biomarkera lipidowego po poznaniu genów biosyntezy” .