Бактерии - самые разнообразные организмы на Земле, количество видов которых трудно поддается количественной оценке. Они также невероятно древние Бактерии состоят из одной клетки. У них нет костей, и они не похожи на крупных животных, которые оставляют четкие следы в геологической летописи, которые благодарные палеонтологи смогут изучать много миллионов лет спустя.
Из-за этого ученым было очень сложно установить хронологию их ранней эволюции. Но с помощью машинного обучения мы смогли уточнить многие детали. Наше новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Science, также показывает, что некоторые бактерии развили способность использовать кислород задолго до того, как Земля стала насыщаться им примерно 2,4 миллиарда лет назад.
Это грандиозное событие в истории Земли
Около 4,5 миллиардов лет назад образовалась Луна. Неистово. Объект размером с Марс столкнулся с Землей, превратив ее поверхность в расплавленную породу. Если жизнь существовала до этого катаклизма, она, вероятно, была уничтожена.
После этого появились нынешние предки всех живых существ - одноклеточные микробы. Первые 80% истории жизни на Земле населяли исключительно эти микробы.
Ничто в биологии не имеет смысла иначе, как в свете эволюции, как сказал известный биолог-эволюционист Теодосиус Добжанский в 1973 году. Но как происходила эволюция жизни на протяжении ранней истории Земли?
Сравнение последовательностей ДНК удивительного разнообразия живых организмов, которое мы наблюдаем сегодня, может рассказать нам о том, как разные группы связаны друг с другом. Например, мы, люди, более тесно связаны с грибами, чем с яблонями. Аналогичным образом, такие сравнения могут рассказать нам о том, как различные группы бактерий связаны друг с другом.
Но сравнение последовательностей ДНК может продвинуть нас только на некоторое расстояние. Сравнение ДНК не говорит о том, когда в истории Земли происходили эволюционные события. В какой-то момент времени организм произвел на свет двух потомков. Один из них дал начало грибам, другой - людям (и множеству других видов). Но когда именно жил этот организм? Сколько лет назад?
Геология учит нас тому, что 2,4 миллиарда лет назад в истории Земли произошло еще одно грандиозное событие. В то время атмосфера Земли резко изменилась. Группа бактерий, называемых цианобактериями, изобрела трюк, который навсегда изменил историю жизни: фотосинтез.
Они получают энергию от солнца, питающую их клетки. Но при этом образуется и неприятный побочный продукт - газообразный кислород.
На протяжении миллионов лет кислород в атмосфере медленно накапливался. До этого "Великого окислительного события" на Земле почти не было кислорода, поэтому жизнь была к нему не готова. На самом деле, для непосвященных бактерий кислород является ядовитым газом, и поэтому его выброс в атмосферу, вероятно, вызвал массовое вымирание. Выжившие бактерии либо научились использовать кислород, либо отступили в глубь планеты, куда он не проникает.
Бактериальное древо жизни
Великое событие окисления особенно интересно для нас не только из-за его влияния на историю жизни, но и потому, что его можно точно датировать. Мы знаем, что это произошло около 2,4 миллиарда лет назад, и мы также знаем, что большинство бактерий, приспособившихся к кислороду, должны были выжить после этого события. Мы использовали эту информацию для наложения дат на бактериальное древо жизни.
Мы начали с того, что обучили модель искусственного интеллекта (ИИ) предсказывать, питается ли бактерия кислородом или нет, исходя из имеющихся у нее генов. Многие бактерии, которые мы видим сегодня, используют кислород, например, цианобактерии и другие, обитающие в океане. Но многие этого не делают, например бактерии, которые живут в нашем кишечнике.
Что касается задач машинного обучения, то эта была довольно простой. Химическая сила кислорода заметно изменяет геном бактерии, потому что метаболизм клетки организуется в зависимости от использования кислорода, и поэтому в полученных данных есть много подсказок.
Затем мы применили наши модели машинного обучения, чтобы предсказать, какие бактерии использовали кислород в прошлом. Это стало возможным, потому что современные методы позволяют нам оценить не только родство видов, которые мы видим сегодня, но и то, какие гены были в геноме каждого из предков.
Неожиданный поворот
Благодаря эффективному использованию общепланетного геологического события Великого окисления в качестве "ископаемой" точки калибровки, наш подход позволил получить подробную хронологию эволюции бактерий.
Объединив результаты геологии, палеонтологии, филогенетики и машинного обучения, мы смогли значительно уточнить сроки эволюции бактерий.
Наши результаты также выявили неожиданный поворот: некоторые бактериальные линии, способные использовать кислород, существовали примерно за 900 миллионов лет до Великого окисления. Это говорит о том, что у этих бактерий развилась способность использовать кислород даже в условиях дефицита кислорода в атмосфере.
Примечательно, что наши результаты показали, что цианобактерии действительно развили способность использовать кислород до того, как у них развился фотосинтез.
Эта концепция не только меняет наше понимание эволюционной истории бактерий, но и иллюстрирует, как эволюционировали способности жизни в ответ на изменение окружающей среды на Земле.
