Амебы более тесно связаны с людьми, чем с бактериями, по крайней мере, на дереве жизни. Как и млекопитающие, они принадлежат к царству эукариот, а бактерии — прокариоты. Таким образом, первые эукариоты действительно являются первобытными предками всех высших форм жизни, включая человека.
В этом смысле эволюция сделала большой скачок к сложным формам жизни, когда появились эукариотические клетки. Так называемый симбиогенез, который заставил две или более одноклеточных бактерий слиться в новый организм с ядром и органеллами, был важной предпосылкой, позволившей эволюционировать большинству живых существ, которые окружают нас сегодня.Чтобы понять, как развивались высшие формы жизни, биологи-эволюционисты хотят знать, когда и при каких условиях появились первые эукариоты.
Международная группа, в которую были вовлечены исследователи из группы Кристиана Халлмана из Института биогеохимии Макса Планка, теперь предоставляет важные аргументы в научные дебаты вокруг этих вопросов.Разрыв между окаменелостями и химическими следамиСамые старые микрофоссилий, которые широко известны как останки эукариот, были обнаружены ок.
Скалы возрастом 1,5 миллиарда лет в северной Австралии. Исследователи проанализировали эти окаменелости морфологически в ходе микропалеонтологических исследований и идентифицировали их как остатки микроводорослей.
В альтернативных попытках проследить происхождение высших форм жизни ученые проанализировали определенные липидные молекулы (стероиды), содержащиеся в клеточных стенках эукариотических организмов. Они могут не только служить в качестве высокоспецифичных маркеров для определенных групп организмов, они также могут выживать в отложениях в течение чрезвычайно длительных периодов времени при правильных условиях. «Анализируя такие молекулы, так называемые биомаркеры, мы можем реконструировать раннюю жизнь на Земле на молекулярном уровне», — говорит Кристиан Халльманн, руководитель исследовательской группы «Органическая палеобиогеохимия» Макса Планка.
С 2012 года команда Халльмана работает над расширением нашего понимания того, как развивались условия окружающей среды и появлялось разнообразие жизни в период с момента создания Земли до появления животной жизни (то есть во время докембрия). «Наше понимание этого периода, представляющего большой эволюционный интерес, извлекает огромную пользу из этого молекулярного подхода», — объясняет Халлманн. Палеонтолог и его сотрудники проанализировали образцы горных пород возрастом до 2,7 миллиарда лет на наличие следов молекул.Молекулы стероидов могут сохраняться в виде стеранов в старых отложениях, другими словами, в окаменелых слоях доисторических морей и озер.
А поскольку в течение последних 15 лет все большее число ученых неоднократно обнаруживало такие молекулярные следы в образцах отложений возрастом от 2,5 до 2,8 миллиарда лет, они пришли к выводу, что эукариотические водоросли уже существовали в этот период, то есть в поздний архей. Таким образом, между самыми ранними отложениями этих биомаркеров и самыми старыми окаменевшими микроводорослями возник разрыв более чем в миллиард лет.Сверхчистый отбор проб для выяснения вопроса о загрязненииКроме того, открытие большого разнообразия стероидов указывало на, казалось бы, современный образец, представляющий различные виды водорослей. «Сначала было предположение, что это может означать, что водоросли разделились на разные виды в очень раннем возрасте», — говорит Кристиан Халльманн. «Но возникло подозрение, что образцы в этих исследованиях могли оказаться зараженными, несмотря на обширные меры предосторожности».
Проблема заключалась в том, что образцы архейского материала либо не были взяты в особых условиях, либо хранились в течение нескольких лет в неидеальных условиях. «Вопрос о загрязнении постепенно разделил наших коллег-ученых на два конфликтующих лагеря, — продолжает Халльманн.Работая с Кэтрин Френч из Массачусетского технологического института (MIT), Холлманн разработал метод взятия ультрачистых образцов из самых старых горных пород, которые были классифицированы как содержащие стероиды.
Вместе с Роджером Бьюиком из Вашингтонского университета ученые в течение нескольких недель пробурили и собрали образцы горных пород в отдаленной австралийской глубинке во время «Проектов бурения в Институте Агурон (AIDP)» в 2012 году, и при этом приняли беспрецедентные меры предосторожности. для предотвращения загрязнения.Ни даже пикограммы эукариотических стероидовФренч, Халлманн и другие коллеги вскрыли эти буровые керны и проанализировали их в нескольких независимых лабораториях — с удивительно однородными результатами. «Больше всего я боялся обнаружить в лаборатории, что образцы оказались загрязненными, несмотря на наши чрезмерные усилия», — продолжает Халльманн. «Тогда все усилия были бы бесполезны».
Однако образцы были чрезвычайно чистыми — настолько чистыми, что высокочувствительные масс-спектрометры в различных лабораториях не могли обнаружить даже пикограммовые количества местных эукариотических стероидов. Подозрение на то, что более ранние образцы могли быть загрязнены, подтвердилось.В то же время исследователи обнаружили в породе относительно большое количество так называемых алмазоидов и полиароматических углеводородов. Холлманн называет это «сигнатурой выхлопа», поскольку эти молекулы также встречаются в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания и указывают на органический материал, который был модифицирован при высоких температурах. «Весь органический материал в этих образцах был изменен давлением и температурой в течение миллиардов лет, и никакие молекулы биомаркеров не могли выжить.
Таким образом, мы не можем сделать никаких выводов относительно исходной биологической сигнатуры материала», — говорит Халлманн. .В любом случае, молекулы стероидов, которым предположительно 2,7 миллиарда лет, больше не могут служить доказательством того, что эукариоты возникли намного раньше, чем указано в летописи окаменелостей. Таким образом, микрофоссилий, возраст которых составляет около 1,5 миллиарда лет, в настоящее время следует считать самым старым свидетельством существования эукариотической жизни на Земле — открытие, которое, как ожидается, будет иметь серьезные последствия не только для наук о Земле.Биомаркеры остаются важным инструментом в палеонтологии докембрия.
Результаты Френча и Халлмана не только помогают прояснить, когда возникли эукариоты, они также помогают решить еще одну загадку: поскольку всем эукариотам нужен кислород, развитие производящего кислород (оксигенного) фотосинтеза должно было предшествовать эволюционному переходу к эукариотам. Последствия этого биохимического новшества, известного как «великое окислительное событие», изменили всю планету, поскольку атмосфера постепенно обогащалась кислородом.
Это событие явно датируется периодом от 2,5 до 2,4 миллиарда лет назад. До сих пор было трудно объяснить, как эукариоты могли возникнуть на несколько 100 миллионов лет раньше, учитывая, что они изначально зависели от доступа к молекулярному кислороду.«Используя хорошо разработанную технику и широкомасштабный международный процесс сотрудничества, мы смогли ответить на один из основных вопросов молекулярной геобиологии», — говорит Халлманн. Несмотря на эти новые открытия, биомаркеры в старых породах остаются важным инструментом для палеонтологических исследований докембрия, не в последнюю очередь потому, что осадочные стероиды и другие биомаркеры могут быть гораздо более специфичными, чем микрофоссилий.
В отличие от изученных архейских пород, позднедокембрийские осадочные бассейны на Земле содержат широкий спектр пород, органический материал которых относительно хорошо сохранился и может быть исследован на биомаркеры. «С полученными знаниями о том, что эукариоты появились позже, мы теперь можем работать над истинной ранней эволюцией водорослей в новом контексте и с значительно улучшенными перспективами достижения успеха».