Az általunk ismert földi élet azért létezhet, mert a Föld légkörében megjelent és felgyülemlett az oxigén. Mindez nem történt volna meg a vizet és fényt energiává és oxigénné alakító fotoszintézis nélkül. De mikor és hogy jelentek meg a fotoszintetizáló organizmusok?

Az MIT kutatói nemrég pontos becslést közöltek arról, hogy mikor jelent meg az első fotoszintetizáló cianobaktérkium. Egy újító genetikai elemző eljárás segítségével sikerült megállapítani, hogy a mai cianobaktériumok egy 2,9 milliárd évvel ezelőtt létrejött közös őstől származnak. Az is kiderült, hogy ez az ős 3,4 milliárd évvel ezelőtt különült el a többi baktériumtól. Az oxigént termelő fotoszintézis a két időpont közötti félmilliárd éves időszakban jelent meg.

A kutatók becslése a fotoszintézis megjelenését 400 millió évvel a nagy oxigenizációs esemény előttre teszi. Ahogy az elnevezés is sugallja, ez volt az első alkalom, amikor a földi atmoszférában és az óceánokban megemelkedett az oxigén szintje. A cianobaktériumoknak viszonylag hosszú időbe telt, mire az oxigéntermeléssel nyomot hagytak a környezeten.

A törzsfejlődésben minden kicsiként kezdi. Bár van bizonyítékunk az oxigéntermelő fotoszintézis korai kezdetére – ez volt a legjelentősebb és legcsodálatosabb evolúciós újítás a Földön –, mégis több száz millió évbe telt, mire igazán beindult

– mutatott rá Greg Fournier, az MIT geobiológia-professzora.

A fotoszintézis megjelenésével kapcsolatos becslések nagyon tág tartományban mozognak. Geokémiai eszközökkel megállapítást nyert, hogy az oxigén már 3,5 milliárd évvel ezelőtt jelen volt – forrásáról azonban nem tudunk közelebbit.

Rohan az idő

A kutatók molekuláris óraként alkalmazzák a mikrobákban megjelenő genetikai változások sebességét, amiből következtetni lehet az első genetikai változás megjelenésének idejére. Ennek végeredménye azonban nagyban függ a rendelkezésre álló fosszíliák minőségétől és a számítás módszerétől. A különböző becslések pedig különböző történeteket eredményeznek, például a hosszan fejlődő fotoszintézistől a robbanásszerű oxigenizációig.

Fournier és kollégái a molekuláris órát horizontális géntranszferrel párosították, ezzel függetlenítették magukat a fosszíliáktól és a változás sebességével kapcsolatos előfeltevésektől. A horizontális géntranszfer az a ritka eset, amikor egy gén egyik fajból a másikba kerül át. Ez megtörténhet például úgy, hogy az egyik elfogyasztja a másikat, és a folyamat során a vacsora génje a vacsorázó genomjában köt ki.

Az ilyen transzferek során a korábban kialakult gén egy evolúciós szempontból fiatalabb szervezetbe kerül, ami lehetővé teszi alkalmas baktériumfajok relatív korának meghatározását, ha összevetik a molekulárisóra-modell becsléseivel.

Az MIT kutatói 34 horizontális géntranszfert azonosítottak, és megállapították, hogy a hat különböző molekulárisóra-modellből egy következetesen egyezett a géntranszfer-analízis tippjeivel.

Az elemzés azt is kimutatta, hogy a cianobaktérium-fajok száma hirtelen megnőtt 2,4 milliárd évvel ezelőtt, a nagy oxigenizációs eseménnyel egy időben, ami arra utal, hogy a cianobaktériumok általános gyors terjeszkedése billentette meg a légkör összetételét.