Kevés drámaibb eseményt vészelt át a földi élet annál, mint amikor először jelent meg az oxigén nagy mennyiségben bolygónk légkörében. A fotoszintetizáló mikrobák számlájára írható, 2,3 milliárd évvel ezelőtti nagy oxigenizációs esemény (más néven oxigénkatasztrófa vagy oxigénkrízis) számtalan korabeli létforma kihalását idézte elő, de megágyazott a többsejtű, komplex élőlények későbbi kialakulásának is.

Egy magyar szakember vezetésével folytatott friss kutatás most meglepő eredményre jutott: egyes baktériumok már jóval azelőtt megtanulták felhasználni és tolerálni az oxigént, hogy a gáz felgyűlt volna a légkörben. A Science folyóiratban csütörtökön megjelent tanulmány az első komoly kísérletet mutatja be arra, hogy a mikroorganizmusok evolúciójának időbeli lefolyását jól behatárolható földtörténeti események segítségével pontosítsák.

A kutatás eredeti célja az evolúciós kormeghatározás egyik problémájának megoldása volt, mondta a Qubitnek Szöllősi Gergely, a HUN-REN Ökológiai Kutatóközpont Evolúciótudományi Intézetének tudományos főmunkatársa és az Okinavai Tudomány- és Műszaki Egyetem (OIST) Modellalapú Evolúciós Genomikai Csoportjának vezetője. Ez a probléma akkor lép fel, amikor a szakemberek az élet evolúciójának legősibb állomásait szeretnék időben elhelyezni – ezek ugyanis jóval megelőzik a többsejtű növények és állatok megjelenését, amelyek precíz kormeghatározással bíró fosszíliákat hagytak hátra.

A nemzetközi kutatócsoport az áttörést részben egy gépi tanulási algoritmus alkalmazásával érte el, ami képes volt még bizonytalan és hiányos genetikai adatok alapján is osztályozni, hogy évmilliárdokkal ezelőtt mely baktériumok folytattak anaerob (oxigén nélküli) vagy aerob (oxigént igénylő) anyagcserét. Annak feltételezésével, hogy az oxigént igénylő anyagcsere kialakulása jellemzően a nagy oxigenizációs esemény után történt, a kutatók extra információhoz jutottak, és így precízebben el tudták helyezni, hogy mi mikor következett be a baktériumok korai evolúciójában.

A DNS-ből származó információt fosszíliákkal kell párosítani. De mi van, ha nincs fosszília?

Szöllősi és kollégái évek óta azon dolgoznak, hogy mai élőlények genomjainak elemzésével rekonstruálják a földi élet evolúcióját. Ebben az utóbbi években egyrészt sokat segített az élőlények DNS-szekvenciájának meghatározását lehetővé tévő szekvenálási technológia robbanásszerű fejlődése, továbbá olyan módszerek kidolgozása, amelyekkel a Föld legkülönbözőbb helyeiről vett mintákból lehetett laboratóriumi körülmények között nehezen (vagy egyáltalán nem) vizsgálható élőlényeket tömegesen kimutatni és felfedezni.

De a szekvenciaadatok önmagukban nem elégségesek. Ahhoz, hogy a kutatók precízen meg tudják állapítani, hogy egy evolúciós esemény mikor történt, az evolúciós kormeghatározást fosszíliákkal kell kalibrálni. Ez Szöllősi szerint arra vezethető vissza, hogy a DNS-szekvenciák változása nemcsak a ténylegesen eltelt időt tükrözi, hanem az adott szekvencia evolúciójának gyorsaságát (evolúciós ráta) is.

Csakhogy viszonylag kevés olyan mikrobiális fosszília van, ami jól elhelyezhető az élővilág törzsfáján. Ráadásul a fosszíliák általában csak „minimum kort” adnak meg, vagyis csak azt árulják el, hogy mikortól létezik biztosan az adott élőlény – az nem derül ki belőlük, hogy mi az a legrégebbi időpont, amikor már létezhetett.

Ezt Szöllősi a harasztokat és virágos növényeket magukban foglaló embriós növények példájával érzékeltette, amelyek folyódelták üledékrétegében évmilliókon át megőrződő polleneket hagytak hátra. Ha a földtörténeti múltból a jelenkor felé haladunk az üledékrétegben, lesz egy legkorábbi pont, amikor a pollenek először felbukkannak, ez a maximum kor. Ilyen maximum korokat megadó kalibrációs pontok nélkül az általuk használt relaxált molekuláris óra módszer az evolúciós eseményeket hajlamos öregebbekként feltüntetni, mint amilyenek azok valójában.

De hogyan lehetne ilyen maximum korokat találni? Egy viszonylag biztos pont a 4,5 milliárd évvel ezelőtti kataklizmikus ütközés, amelynek során egy Mars méretű égitest az ősi Földbe csapódva létrehozta a Holdat, és sterilizálta bolygónkat. Egy másik információforrás maga a geológiai rekord lehet, ami a földi környezet változásáról tanúskodik. A mostani kutatás is ezt használja ki, a geokémiai kutatások által elég biztosan azonosított, 2,33 milliárd évvel ezelőtti nagy oxigenizációs esemény figyelembevételével.

Az algoritmus megmondja, hogy aerob vagy anaerob-e egy baktérium

Miután a szakemberek rekonstruálták, hogy az ősi baktériumok feltehetőleg milyen géneket birtokoltak (ennek hátterével korábbi cikkünk foglalkozik), a már említett gépi tanulási algoritmussal döntötték el, hogy egy adott evolúciós leszármazási vonal aerob vagy anaerob életmódot folytatott-e. Szöllősi szerint ez eltér a hagyományos megközelítéstől, amely szerint azt kellene megvizsgálni, hogy jelen van-e egy megfelelő oxidáz enzim egy adott ágon. Csakhogy ez a zajos és hiányos adatokból bizonytalan választ eredményezett volna, szemben az ismert baktériumokon és genomjaikon tanított gépi tanulási algoritmus nagyon magas pontosságával.

Ezzel a plusz információval a kezükben meg tudták jelölni a baktériumok törzsfáján, hogy mely leszármazási vonalak aerobok és anaerobok, majd tettek egy enyhe megkötést: valószínűtlen, hogy egy baktérium a nagy oxigenizációs esemény előtt aerob volt. Csakhogy ez az esemény nem egy olyan erős maximum volt, mint a Holdat létrehozó becsapódás, így ha a szekvencia és fosszilis információk arra utaltak, hogy az aerob csoportok hamarabb jelentek meg, akkor az elemzés erre is lehetőséget adott (az oxigén egyes élőhelyeken jóval a nagy oxigenizációs esemény előtt feldúsulhatott, élettől független geokémiai reakcióknak köszönhetően).

A vizsgálatuk szerint az anaerob–aerob átmenet legalább 84 alkalommal zajlott le a baktériumok körében, az esetek nagy többségében fokozatosan a nagy oxigenizációs esemény után. De mint kiderült, az aerob anyagcsere kialakulása legalább három esetben több száz millió évvel megelőzte a nagy oxigenizációs eseményt – a cianobaktériumoknál akár 900 millió évvel. Ez azt jelentené, hogy esetükben az oxigén anyagcsere-folyamatokban történő felhasználása 3,2 milliárd évvel ezelőtt, az oxigéntermelő fotoszintézis kialakulása előtt jelent meg. Ha ez az időrendi sorrend helyes, akkor Szöllősi szerint az aerob anyagcsere kialakulása megágyazhatott az oxigéntermelő fotoszintézis létrejöttének.

Hamar megjelent a Földön az élet

A nagy oxigenizációs esemény kalibrációs pontként történő felhasználása a nagy baktériumtörzsek (phyla) megjelenését átlagosan 328 millió évvel közelebb tolta a jelenkorhoz, ami egy független validációt biztosító módszer szerint jobban passzol a genetikai adatokhoz. A kutatók azt is megállapították, hogy az utolsó bakteriális közös ős (LBCA) 3,9-4,4 milliárd évvel ezelőtt élhetett.

Korábban egy hasonló evolúciós rokonsági vizsgálat, amiben Szöllősi is fontos szerepet vállalt, 4,09-4,33 milliárd évvel ezelőttre tette minden mai élőlény utolsó egyetemes közös ősének (LUCA) megjelenését. „Ami biztosnak tűnik, az az, hogy nagyon korán megjelent az élet” – mondta a kutató, ami egybevág azzal, hogy már a legősibb kőzetekben is fellelhetők mikrobiális életre utaló nyomok. Ugyanakkor ha sikerülne még több információt belesűríteni az evolúciós kormeghatározásba, akkor arra számít, hogy ezek a becslések fiatalabb korok felé tolódnának el.

Szöllősi és kollégái a következő időszakban tovább szeretnének dolgozni a mostani kutatásban megbízhatónak bizonyuló gépi tanulási módszerükkel, amivel más, ősi mikroorganizmusokra jellemző tulajdonságokat vizsgálnának, például hogy milyen hőmérsékletű környezetben tudtak optimálisan növekedni. Emellett ugyanezzel a módszerrel feltárnák a gének közötti kölcsönhatásokat és összefüggéseket, ami kihat szekvenciáik evolúciójának sebességére. Ezáltal azt remélik, hogy a jövőben még pontosabb képet kaphatnak a földi élet korai evolúciójáról.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten:

link Forrás

link Forrás

link Forrás