Geny w wieku 3 000 000 000 lat?

Ponad jedna czwarta naszych genów miałaby trzy miliardy lat. Stwierdzenie to, ujawnione przez pewne globalne badanie genomów, potwierdza także rolę organizmów żyjących w danej epoce w procesie akumulacji tlenu w atmosferze. Pięćset czterdzieści milionów lat temu, eksplozja kambryjska osiągnęła swoje apogeum. W programie przewidziana została radykalna zmiana życia na naszej planecie, wraz z szybkim pojawieniem się nowych gatunków wielokomórkowych.

Podczas gdy badania i analizy gatunków, które pojawiły się po tej epoce, są względnie łatwe i proste dzięki istnieniu licznych kopalin, to jednakże nie pozostało nam do zbadania zbyt wiele z tego, co się działo wcześniej. Głównym problemem jest to, iż przed tym etapem, organizmy były miękkie, a pozostałości kopalne występują bardzo rzadko i są one ciężkie do zinterpretowania, jak na przykład te pochodzące z fauny edikariańskiej, z eksplozji awalońskiej albo jeszcze z innego zadziwiającego odkrycia dokonanego przez francuskiego uczonego Abderrazaka El Albani, w Gabonie (ma chodzić tutaj o organizmy wielokomórkowe, mające dwa miliardy lat).

Pozostawiły one jednakże inne ślady, genomowe tym razem, w postaci DNA, ale nie byle gdzie: w organizmach żyjących aktualnie. Ponieważ każdy organizm na ziemi pochodzi z bardzo odległych w czasie przodków, tak więc jakaś część, mniej lub bardziej znacząca, naszego DNA jest prawdopodobnie bardzo, bardzo stara.

I to właśnie wychodząc z tej hipotezy, genetycy z Massachusetts Institute of Technology (MIT, Instytut Technologii w Massachusetts), pokusili się o próbę rekonstrukcji ewolucji genetycznej życia w całej jego globalności. Badacze oparli się na sekwencjach genomów wielkiej liczby różnych organizmów, zbieranych dzień po dniu przez laboratoria badawcze na całym świecie, i gromadzonych w bankach danych dostępnych dla wszystkich.

Wybrano więc sto gatunków spośród trzech domen życia, a blisko 4 000 genów zostało przeanalizowanych przez uczonych amerykańskich przy pomocy pewnego bardzo złożonego modelu matematycznego makroewolucji, naśladującego różnego rodzaju przekształcenia genomowe, które aktualnie znamy.

Może chodzić tutaj o mutacje spontaniczne punktowe, zrealizowane przez błędy polimerazy DNA w przebiegu replikacji, zmieniające strukturę albo funkcję danego genu.

Istnieją także duplikacje genów albo fragmentów chromosomów, prowadzące do pojawienia się genów homologów, które mogą następnie ewoluować niezależnie. Gen źródłowy moża zachować swoją rolę, podczas gdy jego kopia może osiągnąć różnego rodzaje mutacje i nową funkcję.

Można odnaleźć również przypadki horyzontalnego transferu genów (wymiana genów między dwoma organizmami), w przeciwieństwie do pionowego transferu genów (transfer do kolejnej generacji).

Geny mogą również stać się bezużyteczne i zniknąć, pozostawiając po sobie jedynie ślady w genomie.

Od genu do tlenu

Próbując zrekonstruować historię ewolucji życia, badacze amerykańscy zauważyli bardzo szybką ewolucję genomów w przeciągu eonu archaicznego (-3,8 do -2,5 miliardów lat). To właśnie w czasie tej epoki, nazwanej „ekspansją archaiczną” przez autorów artykułu opublikowanego w przeglądzie naukowym Nature, miałoby się pojawić około 27% współczesnych nowych genów, istniejących aktualnie.

Ponad jedna czwarta naszych genów miałaby więc być w wieku kanonicznym, blisko 3 000 000 000 lat. Ale nie jest to ich jedyna wyjątkowa cecha: miałyby one bowiem, jak twierdzą badacze z Massachusetts Institute of Technology, zmienić chemię Ziemi, ni mniej ni więcej!

W rzeczywistości, analiza funkcjonalna genów, które ukazały się 3 300 000 000 lat temu, sugeruje, że kodują one preferencyjnie białka z transbłonowej drogi transportu elektronów. Tego typu proteiny pozwalają na zachodzenie mechanizmu fotosyntezy, jednego z głównych źródeł energii organizmów żyjących aktualnie. Energii pochodzącej z promieni słonecznych. Jest to mechanizm, który polega na zwracaniu tlenu do atmosfery.

Pojawienie się tych genów z całą pewnością było sprzyjające dla okresu Wielkiej Oksydacji (-2,5 miliarda lat), gdzie tlen progresywnie zaczął się gromadzić w atmosferze. Podczas gdy wielka liczba organizmów anaerobowych z całą pewnością zniknęła w przebiegu tego wydarzenia, to niektóre organizmy z kolei mogły przeżyć najwyraźniej dzięki wcześniejszemu pojawieniu się nowych genów, odpowiedzialnych za zastosowanie tlenu, już 2 800 000 000 lat temu, podają uczeni amerykańscy.