Бактерии, одни из древнейших форм жизни, обитали, казалось бы, во всех возможных местах обитания на планете, от океанских впадин и горных вершин до горячих источников и полярных льдов. Тем не менее, они оставили после себя ограниченную летопись окаменелостей, что мешает ученым собрать воедино их раннюю эволюционную хронологию.

“С микроорганизмами происходит еще кое-что, - говорит Филип Гугенхольц, микробиолог из Университета Квинсленда. “Они могут оставить биохимический след в истории Земли, благодаря своему метаболизму”.

Изучая древние биохимические признаки, Гугенхольц и его коллеги построили хронологию эволюции бактерий и адаптации к кислороду. Их результаты, опубликованные в журнале Science, свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могли использовать кислород за миллионы лет до того, как он стал широко распространен на Земле, что меняет наше понимание эволюции бактерий.

“Это блестящее исследование”, - сказал Гаурав Шарма, специалист по вычислительной биологии и микробиологической генетике из Индийского технологического института в Хайдарабаде, который не принимал участия в исследовании. “Это дает совершенно иную перспективу, о которой до сих пор не было известно”.

Чтобы расшифровать гены, которые могли нести древние бактерии, Гугенхольц и его команда использовали подход, называемый филогенетическим согласованием. Они проследили эволюционную историю тысяч существующих генов на основе истории геномов 1000 существующих видов бактерий и определили геномы их предков. Затем они попытались предсказать, использовали ли эти организмы кислород.

Сначала исследователи составили список генов, обнаруженных у современных аэробных и анаэробных бактерий, который они использовали для обучения модели машинного обучения, позволяющей определять потребление кислорода организмом на основе его генетического состава. Затем они применили эту модель к геномам предков.

Их модели предсказывали, что большинство предков бактерий были анаэробными, что согласуется с геохимическими данными, указывающими на то, что около 2,5 миллиардов лет назад атмосфера древней Земли была в значительной степени лишена кислорода. Исследователи обнаружили, что многие древние бактерии перешли к аэробному образу жизни, когда около 2,3 миллиарда лет назад произошло Великое окислительное событие (ВОС). Это событие, вызванное способностью микробов к фотосинтезу, привело к повышению содержания кислорода в атмосфере. Древние бактерии, которые никогда не сталкивались с кислородом, либо эволюционировали, чтобы использовать его, либо отступили в бескислородную среду обитания вглубь планеты.

Однако исследователи обнаружили, что по крайней мере три бактериальные линии, по-видимому, использовали кислород еще за 900 миллионов лет до нашей эры. “Это было большим сюрпризом”, - сказал Гугенхольц. “В тот момент мы были в шоке, потому что [полученные результаты] противоречили общепринятому мнению, согласно которому, если вы производите кислород, это влияет на вашу способность использовать кислород”, - вспоминает он.

Исследователи перепроверили свои анализы, чтобы исключить какие-либо ошибки. Когда все подтвердилось, они углубились в литературу в поисках объяснений своим неожиданным выводам. Они раскопали статьи 1970-х годов, в которых исследователи выдвигали гипотезу о том, что древние микробы, возможно, обладали способностью переносить кислород еще до появления ВОС. Гугенхольц и его команда пришли к выводу, что эти линии могли подвергаться воздействию кислорода, вырабатываемого абиотическим путем, например, в результате фотолиза воды.

Их результаты также пересмотрели хронологию эволюции бактерий, предположив, что последний общий предок бактерий жил между 3,9 и 4,4 миллиардами лет назад, в отличие от 3,5-3,8 миллиардов лет назад, как показывают некоторые анализы. Это произошло вскоре после того, как объект размером с Марс врезался в Землю около 4,5 миллиардов лет назад - катастрофическое событие, которое уничтожило всю существующую жизнь и сформировало Луну. “Это означает, что инновация в создании жизни может произойти за геологически короткий промежуток времени, примерно за несколько 100 миллионов лет”, - сказал Гугенхольц.

По словам Шармы, это первое исследование, которое показало, что группа организмов уже содержала гены, отвечающие за использование кислорода, до начала процесса насыщения кислородом. Он добавил, что анализ более широкого спектра геномов может обеспечить лучшее представление об эволюционной хронологии. “У нас [доступно] более 100 000 геномов”.

“Я бы хотел, чтобы [исследование] повторили на более широком наборе данных”, - согласился Гугенхольц. Тем не менее, он считает, что их исследование предлагает основу для составления карты эволюционных историй других организмов. “Теперь, я думаю, мы действительно получим гораздо более полную, детальную картину того, как развивалась жизнь и обмен веществ на этой планете”.