Геномный взгляд на геобиологию
Ученые установили, что атмосферный кислород необратимо накопился на Земле около 2,3 миллиарда лет назад, во время события, известного как Великое кислородное событие (ВКО). До этого вся жизнь была микробной, а большинство, если не все, среды были бескислородными. Кислород впервые начал производиться незадолго до ВКО в результате эволюции цианобактерий, выделявших его как побочный продукт фотосинтеза. Этот процесс привел к драматическим изменениям в биологических и геохимических процессах на планетарном масштабе.
Понимание ВКО важно не только для изучения фундаментальных изменений климата Земли, но и для получения представления о возникновении эукариот — организмов, подобных человеку, которым для синтеза стеролов в клеточных мембранах и работы митохондрий необходим кислород. Существуют две основные гипотезы о том, как повышались уровни кислорода: постепенный рост с момента ВКО или колебательный подъем с последующим спадом и новым увеличением лишь около 600 миллионов лет назад.
Грег Фурнье, доцент геобиологии в MIT, специализируется на молекулярной филогенетике и горизонтальном переносе генов (ГПГ). Он считает, что анализ эволюции генов, связанных с кислородом, например, кодирующих фермент супероксиддисмутазу (защищающий от токсичных форм кислорода), поможет определить, какая из гипотез верна. Если уровень O₂ после ВКО оставался стабильно повышенным, следует ожидать множества событий ГПГ для этого гена. Если же он упал, то в разных линиях могли произойти переносы, а затем — потеря гена из-за исчезновения необходимости в защите.
Поскольку генетические данные древних вымерших линий недоступны, исследователи из лаборатории Фурнье анализируют последовательности генов современных организмов, строят филогенетические деревья и выявляют события ГПГ. Постдок Абигейл Карон использует вычислительные мощности центра MGHPCC для сравнения и интеграции историй генов у более чем 8000 видов бактерий, что позволяет проводить высокодетальные исследования эволюции этих генов в геологическом времени.