Alapvető újítások történtek az élővilágban 3 milliárd éve

Egy amerikai kutatócsoport száz ma létező mikroba genetikai állományában kereste az arra utaló nyomokat, hogy a mai élőlények génjei mikor jelentek meg először az evolúció során. A kutatás alapján feltételezhető, hogy a jelenleg létező géncsaládok 27%-a 2,8 és 3,3 milliárd évvel ezelőtt alakult ki, még azt megelőzően, hogy az oxigén elkezdett volna felhalmozódni a légkörben.

A földi élet változatossága a kambriumi robbanásnak nevezett időszakkal indult hirtelen növekedésnek, nagyjából 580 millió évvel ezelőtt. Az ezt követő időszakban számos új életforma alakult ki, az evolúció menete pedig viszonylag jól nyomon követhető a fosszíliák segítségével. A kambriumi robbanást megelőző mintegy hárommilliárd évről azonban nem mondható el ugyanez: az ekkor bekövetkezett evolúciós változásokról kevés ismerettel rendelkezünk amiatt, hogy a prekambriumi élőlények csak igen ritkán hagytak maguk után fosszilis nyomokat.

A DNS viszont ezekben az esetekben is megőrződött, méghozzá a mai élőlények genetikai állományában. A mai élővilág összes tagja az ősi élőlények genetikai állományát örökölte, így a jelenleg élő mikrobák genomvizsgálatával a mikroszkopikus méretű ősi élőlények evolúciója is rekonstruálható. Ezt a munkát végezték most el a Massachusetts Institute of Technology biológusai.

Robbanásszerű genetikai változások 2,8 és 3,3 milliárd évvel ezelőtt

Eric Alm és munkatársai a mikrobákról jelenleg rendelkezésre álló - és egyre növekvő méretű - genomkönyvtárakat használták. Az ezekből származó adatokat olyan matematikai modellekbe illesztették bele, amelyekkel megbecsülhető, hogy miként zajlott a különféle géncsaládok evolúciója. A molekuláris evolúció során új géncsaládok jelentek meg, a már létezők pedig továbbadódhattak, vagyis nem csak az ősibb, hanem az újonnan megjelent élőlények genetikai állományába is bekerültek. A mikrobiális élőlények között géncsere vagy egyirányú génátadás is végbemehet (ezt nevezik horizontális géntranszfernek), a gének ezek kívül megkettőződhetnek vagy el is tűnhetnek egy-egy genetikai állányon belül.

Az élet fája: az ábrán a különféle géncsaládok evolúciója látható, az ősi élőlényektől a modernebbek felé haladva. A kördiagramok mérete az evolúciós események gyakoriságával arányos. A színes szeletek az események típusát mutatják: pirossal az új gének keletkezése, kékkel a gének megkettőződése, zölddel a vízszintes irányú génátadás, sárgával pedig a gének eltűnése látható. Az archaeák (lásd lent) terjeszkedésének időszakát - 2,8 és 3,3 milliárd éve - világos és sötétzöld színnel emelték ki. A kép itt nézhető meg nagyobb méretben

A kutatócsoport száz mai mikroba több ezer génjét vizsgálta át annak meghatározására, hogy a ma létező gének mikor jelentek meg először az evolúció során. Az adatokból azt is ki lehetett deríteni, hogy ezek a gének eredetileg melyik ősi mikrobában voltak jelen. Az élőlények kollektív genetikai állománya feltehetően 2,8 és 3,3 milliárd évvel ezelőtt indult robbanásszerű változásnak: ebben az időszakban jelenhetett meg a ma létező géncsaládok mintegy 27%-a - írja a MIT sajtóközleménye.

Az archaeák terjeszkedése már az oxigén megjelenése előtt végbemehetett

A kutatók - a kambriumi robbanáshoz hasonlóan - erre is alkottak egy új kifejezést: a félmilliárd éves időszakot az archaeák terjeszkedésének (Archean Expansion) nevezték el.(Az archaeák felépítése hasonló a baktériumokéhoz, de mégsem soroljuk őket ebbe a csoportba. Elkülönítésüket sok jellemzőjük indokolja, bővebben lásd ebben a cikkben, az archaeák és az élővilág háromdoménes rendszere résznél.) A kérdés ezek után már csak az volt, hogy az újabb és újabb mikrobafajok megjelenését a légköri oxigén nagy mennyiségű megjelenése okozhatta-e.

Az oxigén körülbelül 2,5 milliárd éve még egyáltalán nem volt jelen a légkörben, amikor pedig megjelent, az az oxigént nem hasznosító (anaerob) életformák jelentős pusztulásával járt. Erről azonban szintén nem rendelkezünk fosszílis anyaggal. A kutatók emiatt azt is megvizsgálták, hogy mikor jelentek meg az oxigénhasznosításhoz köthető gének. Kiderült, hogy ezek csak az archaeák terjeszkedésének vége felé, 2,8 milliárd éve alakultak ki. Mindez tehát megelőzte az oxigéntartalmú légkör kialakulását, ami így nem lehetett az archaeák elterjedésének kiváltó oka.

A mikrobák újítása ehelyett az elektronszállítás kialakulása lehetett. Az, hogy az élőlények képessé váltak az elektronok sejten belül történő áramoltatására, számos kulcsfontosságú képesség megjelenését tette lehetővé: ezek közé tartozik a fotoszintézis és az oxigénlégzés, amelyek együttesen a korábbinál nagyobb mennyiségű energia felhasználását eredményezték. "Egyelőre nem állíthatjuk azt sem, hogy közvetlenül az elektronszállítás megjelenése okozta az archaeák terjeszkedését. Viszont az a tény, hogy a mikrobák ezáltal jelentősen több energiához férhettek hozzá, egész biztosan hozzájárult a nagyobb és összetettebb mikrobaközösségek kialakulásához" - mondta Alm.