Окаменелые молекулы раскрывают затерянный мир древней жизни | Журнал Кванта

У дерева есть что-то общее с сорняками и грибами, растущими вокруг его корней, белками, снующими по его стволу, птицами, сидящими на его ветвях, и фотографом, фотографирующим эту сцену. У всех них есть геномы и клеточные механизмы, аккуратно упакованные в мембранные отсеки, организационная система, которая помещает их в чрезвычайно успешную группу форм жизни, называемых эукариотами.

Ранняя история эукариотов долгое время интересовала ученых, которые стремятся понять, когда возникла современная жизнь и как она развивалась. Но отследить самых ранних эукариот в истории Земли было сложно. Ограниченные данные о ископаемых показывают, что их первый предок появился как минимум 1.6 миллиарда лет назад. Однако другие убедительные доказательства их существования отсутствуют. Эукариоты должны были производить и оставлять после себя определенные характерные молекулы, но окаменелые версии этих молекул не обнаруживаются в летописях горных пород до 800 миллионов лет назад. Этот необъяснимый разрыв в 800 миллионов лет в ранней истории эукариот, решающий период, когда впервые возник последний общий предок всей сегодняшней сложной жизни, окутывает тайной историю ранней жизни.

«Существует огромный временной разрыв между летописью окаменелостей тех, кого мы считаем самыми ранними эукариотами, и первыми… биомаркерными свидетельствами существования эукариотов», — сказал он. Гален Халверсон, профессор Университета Макгилла в Монреале.

Существует множество возможных объяснений этого парадоксального разрыва. Возможно, в то время эукариотов было слишком мало, чтобы оставить после себя молекулярные ископаемые свидетельства. Или, возможно, их было много, но их молекулярные окаменелости не выдержали суровых условий геологического времени.

Недавнее исследование, опубликованное в природа предлагает альтернативное объяснение: ученые, возможно, все это время искали не те окаменелые молекулы. Когда авторы исследования искали более примитивные версии химических веществ, которые искали другие, они обнаружили их в изобилии, открыв то, что они описали как «затерянный мир» эукариот, живших от 800 миллионов до как минимум 1.6 миллиарда лет назад.

«Эти молекулы были там все время», — сказал Йохен Брокс, геохимик из Австралийского национального университета в Канберре, который руководил исследованием вместе со своим тогдашним аспирантом. Бенджамин Неттерсхайм. «Мы не смогли найти [их], потому что не знали, как они выглядят».

Полученные данные вносят новую ясность в динамику жизни ранних эукариот. Обилие этих молекулярных окаменелостей позволяет предположить, что примитивные организмы процветали в океанах в течение сотен миллионов лет, прежде чем предки современных эукариот захватили власть, зародив формы жизни, которые однажды разовьются в животных, растения, грибы и простейших, которых мы видим. сегодня.

«Это элегантная гипотеза, которая, кажется, примиряет эти очень разрозненные данные», — сказал Халверсон, не принимавший участия в исследовании. «Это придает всему смысл».

Полученные результаты стали приятной новостью для таких палеонтологов, как Фиби Коэн, заведующий кафедрой геологических наук в колледже Уильямс в Массачусетсе, который долго думал, что чего-то не хватает в записи биомаркера. «Существует богатая и динамичная история жизни до появления животных, которую труднее понять, потому что мы не можем ее увидеть», — сказал Коэн. «Но это чрезвычайно важно, потому что это, по сути, закладывает основу для мира, который мы имеем сегодня».

Загадка протостероидов

Когда летопись окаменелостей не впечатляет, у ученых есть другие способы оценить, когда разные виды отделились друг от друга на эволюционном древе. Основными среди этих инструментов являются молекулярные часы: участки ДНК, которые мутируют с постоянной скоростью, что позволяет ученым оценивать течение времени. Согласно молекулярным часам, последний общий предок современных эукариот, принадлежавший к разнообразной коллекции организмов, известной как коронная группа, впервые появился по крайней мере 1.2 миллиарда лет назад.

Но история эукариот начинается не с этого. Другие ранние эукариоты, известные как стволовая группа, жили сотни миллионов лет до того, как появился наш первый общий предок. Исследователи мало что знают о них, кроме того факта, что они существовали. Небольшая горстка древних окаменелостей эукариот, которые были обнаружены, слишком неоднозначна, чтобы их можно было идентифицировать как ствол или крону.

В отсутствие убедительных окаменелостей тела исследователи ищут молекулярные окаменелости. Молекулярные окаменелости, которые сохраняются отдельно от окаменелостей тела, ученым может быть непросто определить. Сначала им нужно определить, какие молекулы могли быть произведены только теми организмами, которые они хотят изучить. Затем им приходится иметь дело с тем фактом, что не все эти молекулы хорошо окаменевают.

Органический материал разлагается с разной скоростью, и некоторые части эукариот сохраняются в породе лучше, чем другие. Ткани растворяются первыми. ДНК может сохраняться дольше, но не слишком долго: возраст самой старой ДНК, когда-либо найденной, составляет около 2 миллионов лет. Однако молекулы жира потенциально могут существовать в течение миллиардов лет.

Эукариоты создают огромное количество молекул жира, известных как стерины, тип стероида, который является важным компонентом клеточных мембран. Поскольку наличие клеточной мембраны указывает на эукариоты, а молекулы жира имеют тенденцию сохраняться в камнях, стерины стали основным молекулярным ископаемым для этой группы.

Современные эукариоты используют три основных семейства стеролов: холестерин у животных, фитостерины у растений и эргостерин у грибов и некоторых протистов. Их синтез начинается с линейной молекулы, которую клетка формирует в четыре кольца, так что полученная форма идеально вписывается в мембрану, сказал Брокс. Этот процесс состоит из многих стадий: животным клеткам требуется еще восемь ферментативных стадий для производства холестерина, тогда как растительным клеткам требуется еще 11 ферментативных стадий для производства фитостерина.

На пути к созданию усовершенствованного стерина клетка на каждом этапе процесса создает ряд более простых молекул. При подключении к искусственной мембране даже эти промежуточные стерины обеспечивают проницаемость и жесткость, необходимые клетке для правильного функционирования. Биохимик Конрад Блох, получивший в 1964 году Нобелевскую премию частично за открытие клеточные этапы производства холестерина«был озадачен этим», сказал Брокс. Зачем клетке прилагать дополнительные усилия для производства более сложного стерина, если с этой задачей справится более простая молекула?

В 1994 году Блох написал книгу, в которой предсказал, что каждый из этих промежуточных стеринов когда-то был конечным продуктом, используемым в мембране предковой эукариотической клетки. Каждый дополнительный шаг, возможно, требовал больше энергии клетки, но полученная молекула была небольшим улучшением по сравнению с предыдущим — достаточным обновлением, чтобы превзойти предшественника и закрепиться в истории эволюции.

Если бы это было правдой, это объяснило бы, почему никому не удалось найти молекулярные окаменелости стеринов до быстрого распространения современных эукариот около 800 миллионов лет назад. Исследователи искали холестерин и другие современные структуры в камнях. Они не осознавали, что древние биохимические пути были короче и что организмы стволовой группы не производили современные стерины: они производили протостерины.

Молекулярный кофемолок

В 2005 году, примерно через пять лет после смерти Блоха, Брокс и его коллеги сообщили в природа первые намеки на то, что такие промежуточные молекулы когда-то существовали. В древних отложениях они обнаружили стероиды необычной структуры, которые им не были известны. Но в то время Брокс не предполагал, что их могли создать эукариоты. «Тогда я был вполне убежден, что они бактериальные», — сказал он. «Никто вообще не думал о возможности существования эукариот стволовой группы».

Он продолжал брать образцы древних камней и искать эти любопытные молекулы. Примерно через десять лет работы он и Неттерсхайм поняли, что многие молекулярные структуры в образцах горных пород выглядят «примитивными» и не похожи на те, которые обычно создают бактерии, сказал Брокс. Могут ли они быть промежуточными стеролами Блоха?

Им нужно было больше доказательств. В последующее десятилетие Брокс и Неттерсхайм связались с нефтяными и горнодобывающими компаниями, чтобы запросить образцы любых древних отложений, которые они случайно обнаружили во время буровых экспедиций.

«Большинство людей нашли бы два примера и опубликовали бы их», — сказал Эндрю Нолл, профессор естествознания Гарвардского университета, не принимавший участия в исследовании. (Несколько лет назад он был научным руководителем Брокса.) «Йохен провел большую часть десятилетия, изучая горные породы протерозоя со всего мира».

Тем временем исследователи создали шаблон поиска для идентификации молекул в осадке. Они превратили современные промежуточные молекулы, образующиеся в процессе синтеза стеринов, в вероятные геологические эквиваленты стероидов. (Холестерин, например, окаменевает в виде холестана.) «Если вы не знаете, как выглядит молекула, вы ее не увидите», — сказал Брокс.

В лаборатории они извлекли ископаемые молекулы из образцов отложений, используя процесс, который «немного похож на приготовление кофе», сказал Неттерсхайм. После дробления камней они добавили органические растворители для извлечения находящихся внутри молекул — точно так же, как горячая вода используется для извлечения кофе из жареных и молотых зерен.

Чтобы проанализировать свои образцы и сравнить их с эталонами, они использовали масс-спектрометрию, которая определяет вес молекул, и хроматографию, которая выявляет их атомный состав.

Процесс трудный. «Вы анализируете сотни камней и ничего не находите», — сказал Брокс. Если вы что-то и находите, то это зачастую загрязнение недавнего времени. Но чем больше образцов они анализировали, тем больше окаменелостей находили.

Некоторые образцы были до краев наполнены протостероидами. Они нашли молекулы в горных породах возрастом от 800 миллионов до 1.6 миллиардов лет назад. Казалось, что древние эукариоты не только существовали примерно за 800 миллионов лет до того, как появились современные эукариоты, но и были в изобилии.

Исследователи смогли даже распознать эволюционный процесс эукариот, поскольку их стероиды стали более сложными. Например, в камнях возрастом 1.3 миллиарда лет они обнаружили промежуточную молекулу, которая была более продвинутой, чем протостероиды возрастом 1.6 миллиарда лет, но не такой продвинутой, как современные стероиды.

«Это был очень умный способ справиться с недостающими данными о молекулярных окаменелостях», — сказал Дэвид Голд, геобиолога из Калифорнийского университета в Дэвисе, который не принимал участия в исследовании. Их открытие сразу же заполнило 800-миллионный пробел в истории возникновения современной жизни.

Затерянный мир

По словам экспертов, молекулярные находки, объединенные с генетическими и ископаемыми данными, показывают самую четкую картину динамики ранних эукариот, произошедшую примерно 1 миллиард лет назад, в загадочную эпоху среднего протерозоя. Согласно данным Брокса и Неттерсхайма, эукариоты стволовой и кронной групп, вероятно, жили вместе в течение сотен миллионов лет и, вероятно, конкурировали друг с другом в течение периода, который геологи называют «Скучным миллиардом» из-за его медленной биологической эволюции.

Отсутствие в то время более современных стероидов позволяет предположить, что коронная группа не сразу завоевала популярность. Скорее всего, мембраносвязанные организмы начинали с малого, когда нашли ниши в древней экосистеме, сказал Голд. «Эукариотам требуется много времени, чтобы стать экологически доминирующими», — сказал он.

Поначалу стволовая группа могла иметь преимущество. Уровень кислорода в атмосфере был значительно ниже, чем сегодня. Поскольку для создания протостеринов требуется меньше кислорода и энергии, чем для современных стеринов, эукариоты стволовой группы, вероятно, были более успешными и многочисленными.

Их влияние уменьшилось, когда мир пережил критический переходный период, известный как Тонианский период. Между 1 миллиардом и 720 миллионами лет назад в океанах увеличилось количество кислорода, питательных веществ и другого клеточного сырья. Окаменелости современных эукариот, такие как водоросли и грибы, начинают появляться в находках горных пород, а современные стероиды начинают превосходить численность протостероидов в окаменелых биомаркерах — свидетельство того, что эукариоты кроновой группы начали процветать, увеличиваться в численности и диверсифицироваться.

Почему стерины со временем становятся более сложными? Авторы предположили, что более сложные стерины давали своим владельцам некоторое эволюционное преимущество — возможно, связанное с динамикой клеточных мембран существ. Какой бы ни была причина, стероловый сдвиг имел эволюционное значение. Состав современных стеринов, вероятно, дал эукариотам коронной группы преимущество перед стволовой группой. В конце концов, «этот потерянный мир древних эукариотов был заменен современными эукариотами», — сказал Брокс.

Бактериальная морщина

История исследователей об эволюции стерола убедительна, но она не совсем надежна.

«Я не удивлюсь», если их интерпретация верна, сказал Голд. Однако есть и другая возможность. Хотя ученые склонны связывать стерины с эукариотами, некоторые бактерии также могут их производить. Могли ли молекулярные окаменелости, использованные в исследовании, быть оставлены бактериями?

Гордон Лав, геохимик из Калифорнийского университета в Риверсайде, считает, что бактериальный сценарий имеет больше смысла. «Эти протостероиды обнаруживаются в горных породах всех возрастов», — сказал он. «Они не исчезают просто так, а это означает, что их способно создать нечто иное, чем стволовые эукариоты». Он утверждал, что бактерии, доминировавшие в то время в море, могли легко производить протостероиды.

Авторы не могут исключить такую ​​возможность. Фактически, они подозревают, что некоторые из их ископаемых молекул были созданы бактериями. Но возможность того, что их обширная коллекция окаменелых протостероидов, простирающаяся на сотни миллионов лет, была полностью создана бактериями, кажется маловероятной, сказал Брокс.

«Если вы посмотрите на экологию этих бактерий сегодня и на их численность, просто нет оснований полагать, что они могут стать настолько многочисленными, что смогут производить все эти молекулы», — сказал он. В современном мире бактерии производят протостерины только в нишевых средах, таких как гидротермальные источники или выходы метана.

Коэн, палеонтолог из колледжа Уильямс, согласен с Броксом. Интерпретация того, что эти молекулы были созданы эукариотами, «согласуется со всеми остальными доказательствами», сказала она, — от летописи окаменелостей до анализа молекулярных часов. «Меня не так беспокоит» такая возможность, сказала она.

Любая интерпретация порождает больше вопросов, чем ответов. «Обе истории были бы совершенно безумно странными», — сказал Брокс. Это «разные взгляды на наш мир», добавил он, и было бы неплохо узнать, какой из них верный.

Не имея машины времени, исследователи ищут больше доказательств, которые могли бы так или иначе повысить их уверенность. Но существует очень много способов реконструировать или воспринимать древнюю жизнь — и даже самые лучшие предположения ученых никогда не смогут полностью заполнить этот пробел. «Большая часть жизни не оставила на Земле никаких следов», — сказал Неттерсхайм. «Рекорд, который мы видим, ограничен. … На протяжении большей части истории Земли жизнь могла выглядеть совсем по-другому».

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по биологии и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.