Установить точную хронологию ранней эволюции бактерий на Земле — сложная задача. На планете существует около триллиона видов микроорганизмов, подавляющее большинство из которых — бактерии. Эти одноклеточные формы жизни не имеют костей и не оставляют четких следов в геологической летописи, что затрудняет их изучение традиционными методами палеонтологии.
История ранней Земли включает катастрофические события, сформировавшие среду для первых живых существ. Формирование Луны примерно 4,5 миллиарда лет назад в результате столкновения Земли с объектом размером с Марс, вероятно, уничтожило любую ранее существовавшую жизнь. Предки всех ныне живущих существ, одноклеточные микробы, появились уже после этого катаклизма. Первые 80% истории жизни на Земле она была населена исключительно микробами.
Понимание эволюции является ключом к расшифровке истории жизни. Как сказал эволюционный биолог Феодосий Добжанский в 1973 году: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Этот принцип особенно важен при изучении микроорганизмов, чья история охватывает миллиарды лет.
Сравнение последовательностей ДНК позволяет определить родственные связи между видами. Например, так можно установить, что люди ближе к грибам, чем к яблоням, или выявить связи между различными группами бактерий. Однако сам по себе этот метод не дает информации о времени эволюционных событий, то есть когда именно разошлись те или иные виды.
Поворотным моментом в истории Земли стало Великое кислородное событие (Great Oxidation Event, GOE), произошедшее около 2,4 миллиарда лет назад. Группа бактерий, называемых цианобактериями, изобрела фотосинтез — процесс использования солнечной энергии, побочным продуктом которого является газообразный кислород. Постепенное накопление кислорода в атмосфере было ядовитым для большинства ранних форм жизни, что, вероятно, вызвало массовое вымирание.
Выжившие бактерии либо приспособились к использованию кислорода, либо отступили в бескислородные среды. Великое кислородное событие служит важнейшей временной отметкой, своего рода «ископаемой» точкой калибровки: большинство бактерий, адаптированных к кислороду, должны были появиться после этого события, примерно 2,4 миллиарда лет назад.
Для датировки древа жизни бактерий был применен новаторский подход, опубликованный в журнале Science. Исследователи использовали машинное обучение (искусственный интеллект), объединив его с данными о Великом кислородном событии. Была создана модель ИИ, обученная предсказывать, живет ли бактерия в присутствии кислорода, основываясь на анализе ее генов.
Использование кислорода кардинально меняет геном бактерии, поскольку метаболизм клетки перестраивается вокруг этого процесса. Это оставляет множество генетических маркеров, которые ИИ может распознать. Обученные модели затем применили к предковым геномам, реконструированным с помощью методов филогенетики, чтобы предсказать использование кислорода у бактерий прошлого.
Этот комплексный подход, объединивший данные геологии, палеонтологии, филогенетики и машинного обучения, позволил создать детализированную хронологию, значительно уточнив время ключевых событий в эволюции бактерий. Результаты принесли неожиданные открытия.
Выяснилось, что некоторые линии бактерий, способные использовать кислород, существовали примерно за 900 миллионов лет до Великого кислородного события, то есть около 3,3 миллиарда лет назад. Это означает, что данные бактерии развили способность к использованию кислорода в условиях, когда его концентрация в атмосфере была крайне низкой.
Еще одним примечательным открытием стало то, что цианобактерии — группа, ответственная за насыщение атмосферы кислородом через фотосинтез, — развили способность использовать кислород до того, как они развили сам фотосинтез.
Новая методология предлагает переосмысленное понимание эволюционной истории бактерий. Она наглядно демонстрирует, как способности живых организмов развивались и адаптировались в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды на протяжении трех миллиардов лет.
История ранней Земли включает катастрофические события, сформировавшие среду для первых живых существ. Формирование Луны примерно 4,5 миллиарда лет назад в результате столкновения Земли с объектом размером с Марс, вероятно, уничтожило любую ранее существовавшую жизнь. Предки всех ныне живущих существ, одноклеточные микробы, появились уже после этого катаклизма. Первые 80% истории жизни на Земле она была населена исключительно микробами.
Понимание эволюции является ключом к расшифровке истории жизни. Как сказал эволюционный биолог Феодосий Добжанский в 1973 году: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Этот принцип особенно важен при изучении микроорганизмов, чья история охватывает миллиарды лет.
Сравнение последовательностей ДНК позволяет определить родственные связи между видами. Например, так можно установить, что люди ближе к грибам, чем к яблоням, или выявить связи между различными группами бактерий. Однако сам по себе этот метод не дает информации о времени эволюционных событий, то есть когда именно разошлись те или иные виды.
Поворотным моментом в истории Земли стало Великое кислородное событие (Great Oxidation Event, GOE), произошедшее около 2,4 миллиарда лет назад. Группа бактерий, называемых цианобактериями, изобрела фотосинтез — процесс использования солнечной энергии, побочным продуктом которого является газообразный кислород. Постепенное накопление кислорода в атмосфере было ядовитым для большинства ранних форм жизни, что, вероятно, вызвало массовое вымирание.
Выжившие бактерии либо приспособились к использованию кислорода, либо отступили в бескислородные среды. Великое кислородное событие служит важнейшей временной отметкой, своего рода «ископаемой» точкой калибровки: большинство бактерий, адаптированных к кислороду, должны были появиться после этого события, примерно 2,4 миллиарда лет назад.
Для датировки древа жизни бактерий был применен новаторский подход, опубликованный в журнале Science. Исследователи использовали машинное обучение (искусственный интеллект), объединив его с данными о Великом кислородном событии. Была создана модель ИИ, обученная предсказывать, живет ли бактерия в присутствии кислорода, основываясь на анализе ее генов.
Использование кислорода кардинально меняет геном бактерии, поскольку метаболизм клетки перестраивается вокруг этого процесса. Это оставляет множество генетических маркеров, которые ИИ может распознать. Обученные модели затем применили к предковым геномам, реконструированным с помощью методов филогенетики, чтобы предсказать использование кислорода у бактерий прошлого.
Этот комплексный подход, объединивший данные геологии, палеонтологии, филогенетики и машинного обучения, позволил создать детализированную хронологию, значительно уточнив время ключевых событий в эволюции бактерий. Результаты принесли неожиданные открытия.
Выяснилось, что некоторые линии бактерий, способные использовать кислород, существовали примерно за 900 миллионов лет до Великого кислородного события, то есть около 3,3 миллиарда лет назад. Это означает, что данные бактерии развили способность к использованию кислорода в условиях, когда его концентрация в атмосфере была крайне низкой.
Еще одним примечательным открытием стало то, что цианобактерии — группа, ответственная за насыщение атмосферы кислородом через фотосинтез, — развили способность использовать кислород до того, как они развили сам фотосинтез.
Новая методология предлагает переосмысленное понимание эволюционной истории бактерий. Она наглядно демонстрирует, как способности живых организмов развивались и адаптировались в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды на протяжении трех миллиардов лет.