На Земле насчитывается около триллиона видов микроорганизмов, среди которых преобладают бактерии.
Бактерии представляют собой одноклеточные организмы, лишенные костной структуры и не имеющие внешнего сходства с крупными животными, оставляющими четкие следы в геологической летописи, которые палеонтологи могут изучать на протяжении миллионов лет.
Это обстоятельство затрудняет ученым установление хронологии ранней эволюции бактерий. Однако благодаря достижениям в области машинного обучения нам удалось заполнить многие пробелы в этих знаниях. Наше новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Science, также демонстрирует, что некоторые бактерии развили способность использовать кислород задолго до того, как Земля стала насыщенной им примерно 2,4 миллиарда лет назад.
Около 4,5 миллиарда лет назад образовалась Луна в результате катастрофического столкновения объекта размером с Марс с Землей, что привело к превращению ее поверхности в расплавленную породу. Если жизнь существовала до этого события, она, вероятно, была уничтожена.
После этого на сцену вышли предки всех живых существ — одноклеточные микробы. На протяжении первых 80% истории жизни на Земле планета была населена исключительно этими микробами.
«Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции», — как однажды заметил эволюционный биолог Теодосий Добжанский в 1973 году. Но как же развивалась эволюция жизни в ранней истории Земли?
Сравнение последовательностей ДНК из удивительного разнообразия жизни, которое мы наблюдаем сегодня, может рассказать нам о том, как различные группы организмов связаны между собой. Например, мы, люди, имеем более тесные генетические связи с грибами, чем с яблонями. Аналогичным образом такие сравнения могут показать, как различные группы бактерий соотносятся друг с другом.
Тем не менее, сравнение последовательностей ДНК предоставляет лишь ограниченную информацию. Эти сравнения не указывают на то, когда именно в истории Земли произошли эволюционные события. В какой-то момент времени один организм стал предком двух потомков: один из них дал начало грибам, другой — людям (и многим другим видам). Но когда именно жил этот общий предок? Сколько лет назад?
Одно из уроков, которые дает нам геология, заключается в том, что 2,4 миллиарда лет назад произошло еще одно значительное событие в истории Земли. В это время атмосфера планеты претерпела резкие изменения. Группа бактерий, известная как цианобактерии, изобрела фотосинтез — процесс, который навсегда изменил историю жизни.
Сбор энергии от солнца обеспечивал питание их клеток, однако это также привело к образованию кислорода как побочного продукта.
На протяжении миллионов лет кислород в атмосфере медленно накапливался. Перед «Великим окислительным событием» на Земле практически не было кислорода, и жизнь не была к нему подготовлена. Для неподготовленных бактерий кислород является ядовитым газом, и его выброс в атмосферу, вероятно, вызвал массовое вымирание. Выжившие бактерии либо эволюционировали, чтобы использовать кислород, либо укрылись в недрах планеты, куда он не проникает.
Великое окислительное событие представляет собой особый интерес не только из-за его влияния на историю жизни, но и потому, что оно может быть точно датировано. Мы знаем, что оно произошло около 2,4 миллиарда лет назад, и также осознаем, что большинство бактерий, адаптировавшихся к кислороду, должны были существовать после этого события. Мы использовали эту информацию, чтобы наложить даты на бактериальное дерево жизни.
Мы начали с обучения модели искусственного интеллекта (ИИ) предсказывать, использует ли бактерия кислород, исходя из имеющихся у нее генов. Многие из современных бактерий, такие как цианобактерии и другие, обитающие в океане, используют кислород. Однако существуют и те, которые не используют его, например, бактерии, живущие в нашем кишечнике.
Задача машинного обучения в данном случае была относительно простой. Химическая активность кислорода заметно изменяет геном бактерий, поскольку метаболизм клеток организуется вокруг его использования, и в данных содержится множество подсказок.
Затем мы применили наши модели машинного обучения для предсказания, какие бактерии использовали кислород в прошлом. Это стало возможным благодаря современным методам, позволяющим оценить не только то, как виды, которые мы наблюдаем сегодня, связаны друг с другом, но и какие гены каждый предок носил в своем геноме.
Используя глобальное геологическое событие Великого окислительного события в качестве «калибровочной точки» для «ископаемых», наш подход позволил создать детализированную хронологию бактериальной эволюции.
Объединив результаты из геологии, палеонтологии, филогенетики и машинного обучения, мы смогли значительно уточнить временные рамки бактериальной эволюции.
Наши результаты также выявили удивительный поворот: некоторые бактериальные линии, способные использовать кислород, существовали примерно за 900 миллионов лет до Великого окислительного события. Это предполагает, что эти бактерии развили способность использовать кислород даже в условиях его дефицита в атмосфере.
Удивительно, но наши выводы показали, что цианобактерии на самом деле развили способность использовать кислород еще до того, как они развили фотосинтез.
Эта структура не только изменяет наше понимание истории эволюции бактерий, но и иллюстрирует, как возможности жизни эволюционировали в ответ на изменяющиеся условия на Земле!
