Bestemmelse af tidspunktet for metanogenudvikling

Tidlige livsformer havde meget sandsynligt stofskifte, der transformerede den oprindelige Jord, som at starte kulstofkredsløbet og producere det meste af planetens ilt gennem fotosyntese. For omkring 3,5 milliarder år siden, Jorden synes allerede at have været dækket af flydende oceaner, men solen på det tidspunkt var ikke skarp eller varm nok til at smelte is. For at forklare, hvordan havene forblev ufrosne, det er blevet foreslået, at drivhusgasser såsom metan forårsagede opvarmning i den tidlige atmosfære, ligesom de gør i den globale opvarmning i dag.

Naturligt forekommende metan produceres hovedsageligt af en gruppe mikrober, methanogene arkæer, gennem et stofskifte kaldet methanogenese. Selvom der er nogle beviser fra kulstofisotopdata for, at kilder til metan så gamle som 3,5 milliarder år gamle kan have været af biologisk oprindelse, Indtil nu har der ikke været solide beviser for, at metanproducerende mikrober eksisterede tidligt nok i Jordens historie til at være ansvarlige for at holde den tidlige Jord opvarmet.

Nu, i et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturens økologi og evolution , Jo Wolfe, en postdoc i Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS) ved MIT, og Gregory Fournier, en adjunkt i EAPS, rapporter om nyt arbejde, der kombinerer horisontale genoverførselsdata med den mikrobielle fossiloptegnelse, der gjorde det muligt for dem at estimere absolutte aldre for metanproducerende mikrober på den geologiske tidslinje.

Palæontologi møder genetik

Wolfe er en palæontolog med speciale i, hvordan fossile og levende dyrearter er beslægtede i livets træ. Fournier har specialiseret sig i at udforske, hvordan genomer fra levende organismer kan bruges til at studere den tidlige udvikling af mikrober. At knække dette puslespil krævede begge ekspertiseområder.

"Sporkemiske beviser antyder, at metan og de mikrober, der producerede det, kunne have været til stede, men vi vidste ikke, om metogene arkæer faktisk var til stede på det tidspunkt, "Siger Wolfe.

At bygge bro mellem fossile og genomiske data, Wolfe og Fournier brugte genomer fra levende mikrober, der bevarer en registrering af deres tidlige historie. Disse DNA-sekvenser kan tilgås gennem fylogenetisk analyse og sammenlignes med hinanden, forklarer forskerne, for at finde det bedste forgrenede "træ", der beskriver deres udvikling. Når man arbejder tilbage langs dette træ, grenene repræsenterer stadig mere ældgamle slægter af mikrober, der eksisterede i Jordens dybe historie. Ændringer langs disse grene kan måles, producere et molekylært ur, der beregner udviklingshastigheden langs hver gren, og, fra det, et probabilistisk skøn over den relative og absolutte timing af fælles forfædre i træet. Et molekylært ur kræver fossiler, imidlertid, som methanogener mangler.

Kalibrering af livets træ

For at løse denne vanskelighed, Wolfe og Fournier udnyttede horisontale genoverførsler, eller bytte af genetisk materiale mellem forfædrene til forskellige grupper af organismer. I modsætning til lodret transmission af DNA fra forælder til afkom - sådan er de fleste menneskelige gener arvet - kan vandrette overførsler passere gener mellem fjernt beslægtede mikroorganismer. De fandt ud af, at gener blev doneret fra en gruppe inden for den methanogene archaea til forfaderen til alle iltproducerende fotosyntetiske cyanobakterier, som har nogle fossiler. Ved at bruge genoverførslerne og de cyanobakterielle fossiler sammen, de var i stand til at begrænse og styre metanproducenternes molekylære ur, og fandt ud af, at de metanproducerende mikrober faktisk var over 3,5 milliarder år gamle, understøtter hypotesen om, at disse mikrober kunne have bidraget til tidlig global opvarmning.

"Dette er den første undersøgelse, der kombinerer genoverførsler og fossiler for at estimere den absolutte alder for mikrober på den geologiske tidslinje, Fournier siger. "Ved at kende alderen for mikrobielle grupper giver os mulighed for at udvide denne kraftfulde tilgang til at studere andre begivenheder i tidlig planetarisk og miljømæssig evolution, og til sidst, at bygge en tidsplan for alt livets træ. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.