Vroege levensvormen hadden zeer waarschijnlijk metabolismes die de oeraarde transformeerden, zoals het initiëren van de koolstofcyclus en het produceren van het grootste deel van de zuurstof van de planeet door middel van fotosynthese. Ongeveer 3,5 miljard jaar geleden, de aarde lijkt al bedekt te zijn met vloeibare oceanen, maar de zon was op dat moment niet helder of warm genoeg om ijs te smelten. Om uit te leggen hoe de oceanen onbevroren bleven, er is gesuggereerd dat broeikasgassen zoals methaan opwarming in de vroege atmosfeer veroorzaakten, net zoals ze dat tegenwoordig doen bij de opwarming van de aarde.

Natuurlijk voorkomend methaan wordt voornamelijk geproduceerd door een groep microben, methanogene archaea, via een metabolisme dat methanogenese wordt genoemd. Hoewel er enig bewijs is uit koolstofisotoopgegevens dat bronnen van methaan die zo oud zijn als 3,5 miljard jaar oud mogelijk biologisch van oorsprong zijn, tot nu toe is er geen solide bewijs dat methaanproducerende microben vroeg genoeg in de geschiedenis van de aarde bestonden om verantwoordelijk te zijn voor het opwarmen van de vroege aarde.

Nutsvoorzieningen, in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuurecologie en evolutie , Jo Wolfe, een postdoc bij het Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS) aan het MIT, en Gregory Fournier, een assistent-professor in EAPS, rapporteer nieuw werk dat horizontale genoverdrachtsgegevens combineert met het microbiële fossielenbestand waarmee ze de absolute leeftijden voor methaanproducerende microben op de geologische tijdlijn konden schatten.

Paleontologie ontmoet genetica

Wolfe is een paleontoloog die gespecialiseerd is in de relatie tussen fossiele en levende diersoorten in de levensboom. Fournier is gespecialiseerd in het onderzoeken hoe genomen van levende organismen kunnen worden gebruikt om de vroege evolutie van microben te bestuderen. Het kraken van deze puzzel vereiste beide expertisegebieden.

"Traceer chemisch bewijs suggereert dat methaan en de microben die het hebben geproduceerd aanwezig kunnen zijn geweest, maar we wisten niet of methogene archaea op dat moment echt aanwezig waren, ' zegt Wolfe.

Om een ​​brug te slaan tussen fossiele en genomische gegevens, Wolfe en Fournier gebruikten genomen van levende microben die een verslag van hun vroege geschiedenis bewaren. Deze DNA-sequenties zijn toegankelijk via fylogenetische analyse en kunnen met elkaar worden vergeleken, leggen de onderzoekers uit, om de beste vertakkende "boom" te vinden die hun evolutie beschrijft. Terwijl men langs deze boom werkt, de takken vertegenwoordigen steeds oude afstammingslijnen van microben die bestonden in de diepe geschiedenis van de aarde. Veranderingen langs deze takken kunnen worden gemeten, een moleculaire klok produceren die de evolutiesnelheid langs elke tak berekent, en, van dat, een probabilistische schatting van de relatieve en absolute timing van gemeenschappelijke voorouders binnen de boom. Een moleculaire klok heeft fossielen nodig, echter, die methanogenen ontbreken.

De levensboom kalibreren

Om deze moeilijkheid op te lossen, Wolfe en Fournier gebruikten horizontale genoverdrachten, of uitwisselingen van genetisch materiaal tussen de voorouders van verschillende groepen organismen. In tegenstelling tot verticale overdracht van DNA van ouder naar nageslacht - en dat is hoe de meeste menselijke genen worden geërfd - kunnen horizontale overdrachten genen doorgeven tussen ver verwante micro-organismen. Ze ontdekten dat genen werden gedoneerd van een groep binnen de methanogene archaea aan de voorouder van alle zuurstofproducerende fotosynthetische cyanobacteriën, die wel wat fossielen hebben. Door de genoverdracht en de cyanobacteriële fossielen samen te gebruiken, ze waren in staat om de moleculaire klok van methaanproducenten te beperken en te sturen, en ontdekte dat de methaanproducerende microben inderdaad meer dan 3,5 miljard jaar oud waren, ter ondersteuning van de hypothese dat deze microben zouden kunnen hebben bijgedragen aan de vroege opwarming van de aarde.

"Dit is de eerste studie die genoverdracht en fossielen combineert om de absolute leeftijden voor microben op de geologische tijdlijn te schatten, Fournier zegt. "Door de leeftijden van microbiële groepen te kennen, kunnen we deze krachtige benadering uitbreiden om andere gebeurtenissen in de vroege planetaire en ecologische evolutie te bestuderen, en eventueel, om een ​​tijdschema voor de boom van al het leven te bouwen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.