Pred približne 540 miliónmi rokov sa v oceánoch odohrala tichá zmena, ktorá navždy poznamenala, čo sa z vtedajšieho života zachovalo do našich čias. Kým z obdobia neskorého ediakaru (pred 579 až 539 miliónmi rokov) máme k dispozícii fosílie mäkkých tiel v pozoruhodných detailoch – celé ekosystémy bez jedinej schránky či kosti –, mladšie mäkké organizmy z kambria a neskorších období sa v zázname objavujú len zriedka. Vedci z Univerzity v Cambridgei teraz prišli s vysvetlením, ktoré spája túto nerovnováhu so vznikom a šírením mikroorganizmov produkujúcich enzýmy rozkladajúce kolagén. Výsledky publikoval tím na čele s Philipom Vixseboxsom v časopise Current Biology.
Fosílny záznam živočíchov je totiž od základu neúplný. Tvrdé časti tela ako schránky, kosti a zuby sa zachovávajú oveľa ľahšie než mäkké tkanivá – svaly, orgány či koža. Preto dnes prevažujú skamenené mineralizované kostry. Lenže ediakarske fosílie sú iné: hoci vtedy žiadne tvrdé časti neexistovali, náleziská často uchovávajú jemné detaily tiel vrátane vnútorných štruktúr. Desaťročia sa vedci pokúšali vysvetliť, ako je to možné. Uvažovali o nezvyčajných chemických podmienkach v ediakarských moriach, odlišnom zložení tkanív alebo o vrstve mikrobiálneho slizu, ktorá pokrývala morské dno. Žiadne z týchto vysvetlení však nefunguje všade.
Podľa nového výskumu môže byť kľúčom evolúcia mikróbov, ktoré produkujú kolagenázy – enzýmy schopné rozložiť kolagén, štrukturálny proteín prítomný vo všetkých živočíšnych tkanivách. Kolagén dodáva tkanivám pevnosť a podporu. Keď organizmus uhynie, kolagenázy ho dokážu rýchlo rozložiť a znížiť tak šancu, že sa tkanivo stihne fosilizovať. „Ak si predstavíte modernú medúzu, ktorá sa vyplaví na pláž a začne sa rozkladať, zmizne za pár dní,“ povedal Vixseboxse, ktorý prácu dokončil počas doktorandského štúdia na Katedre vied o Zemi v Cambridgei. „Nikdy sa nestane fosíliou, no podobne mäkké živočíchy spred pol miliardy rokov sa bežne zachovali.“
Kolagén sa nachádza vo všetkých živočíšnych tkanivách, no bez enzýmov, ktoré by ho rozložili, pretrváva – podobne ako moderný plast. „Na rozklad biopolyméru potrebujete enzým, inak bude ležať veľmi dlho, kým sa objaví niečo, čo ho dokáže stráviť,“ vysvetlil Vixseboxse. So spoluautormi sledoval evolúciu génov pre kolagenázy v 700 bakteriálnych genómoch a porovnal ich s časovo datovaným stromom života, aby zistil, kedy a ako mikróby túto schopnosť získali.
Výskum ukázal, že kolagenázy sú oveľa staršie než živočíchy. Spočiatku existovali len u anaeróbnych, teda kyslík neznášajúcich mikróbov. Mŕtve organizmy v okysličených vodách ediakaru si preto udržali kolagén tak dlho, kým sa kyslík v okolitých sedimentoch neminul – a to im poskytlo viac času na fosilizáciu. Na prelome ediakaru a kambria sa však kolagenázy začali šíriť medzi širšiu škálu mikrobiálnych skupín. Preniesli sa do aeróbnych, kyslík využívajúcich baktérií, vrátane tých, ktoré spôsobujú moderný rozklad. Tento posun sa časovo zhoduje s výrazným poklesom počtu fosílií mäkkých živočíchov.
„Približne v tomto kritickom čase, keď mäkké živočíchy prestali fosilizovať, začíname vidieť kolagenázy v aeróbnych baktériách. Schopnosť rozkladať tkanivá s kolagénom sa tak mohla šíriť do nových prostredí, zatiaľ čo diverzita živočíchov rástla,“ povedal Vixseboxse. „Keď sa kolagén dal rozložiť, potrebovali ste čoraz rýchlejšie fosilizačné procesy, aby ste predbehli rozklad. Pravdepodobne preto vidíme výrazný pokles množstva a kvality fosílneho záznamu, čo sa týka zachovania mäkkých tkanív.“
Výnimočne sa mäkké tkanivá zachovajú aj v mladších horninách – záleží na tom, ako a kde živočích uhynul a čo sa dialo potom. Mŕtve zviera rýchlo pochované pod lavínou sedimentu môže uniknúť rozkladu, takéto prípady sú však zriedkavé. „Výsledky naznačujú, že existuje zastrešujúci biologický mechanizmus, ktorý formoval fosílny záznam mäkkých tkanív v celej histórii Zeme,“ uviedol spoluautor profesor Alex Liu z rovnakej katedry. „Získanie kľúčových enzýmov mikróbmi, ktoré im umožnilo využiť rastúci zdroj potravy, mohlo znížiť potenciál mäkkých tkanív na zachovanie.“
Vixseboxse upozorňuje, že v ďalekej budúcnosti môže nastať podobná ozvena s moderným plastom. Rovnako ako dávny kolagén, aj plast odoláva rozkladu, kým sa neobjaví niečo, čo ho dokáže stráviť. „Baktérie nemali dôvod efektívne rozkladať kolagén, keď ešte neexistoval,“ povedal. „Lenže keď sa kolagén stal hojnejším a poskytol mikróbom nový zdroj potravy, kolagenázy sa rozmnožili. Možno raz mikróby využijú podobné enzýmy na rozklad rastúceho množstva plastových polymérov, ktoré vypúšťame do prostredia – to však bude dávno po nás.“
Výskum podporili Leverhulme Trust, Natural Environment Research Council (NERC) a Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC), ktorá je súčasťou UK Research and Innovation (UKRI).
Prečo je fosílny záznam neúplný a čo to znamená pre evolúciu
Fosílny záznam nie je vernou kronikou života. Je to skôr výber toho, čo prežilo geologické procesy. Tvrdé mineralizované časti – schránky, kosti, zuby – odolávajú rozkladu aj tlaku času oveľa lepšie než mäkké tkanivá. Preto drvivá väčšina skamenelín, ktoré dnes poznáme, predstavuje len určitú časť pôvodnej fauny. Ak niektoré organizmy nemali tvrdé časti, majú v zázname oveľa menšiu šancu objaviť sa. Tento rozdiel skresľuje naše predstavy o tom, kedy sa ktoré skupiny vyvíjali a ako vyzerali. Nový výskum naznačuje, že za časťou tohto skreslenia môže stáť biologický faktor – evolúcia mikróbov schopných rozkladať kolagén. To je dôležité, pretože mení pohľad na to, prečo sa zdá, že mäkké organizmy v istom období takmer zmizli. Nemuseli zmiznúť z planéty, len prestali vznikať ich fosílie.
Rise of collagen-eating microbes may help explain gaps in the fossil record.
Kolagén je bielkovina, ktorá drží živočíšne tkanivá pohromade. Bez enzýmov, ktoré by ho štiepili, pretrváva veľmi dlho – Vixseboxse ho prirovnáva k modernému plastu. Kolagenázy sú enzýmy, ktoré tento proteín rozkladajú. Kľúčovú úlohu zohráva kyslík. Anaeróbne mikróby, ktoré kolagenázy pôvodne produkovali, žijú v prostrediach bez kyslíka. Pokiaľ boli mŕtve telá v okysličených vodách, ich kolagén zostal nedotknutý, kým sa kyslík v okolitých sedimentoch neminul. To predĺžilo okno, počas ktorého sa tkanivo mohlo mineralizovať a zachovať. Keď sa kolagenázy rozšírili do aeróbnych baktérií, rozklad sa mohol spustiť oveľa skôr a vo väčšom množstve prostredí. Preto mohli mať mäkké organizmy po prechode do kambria menšiu šancu stať sa fosíliou.
Rise of collagen-eating microbes may help explain gaps in the fossil record.
Vedci sledovali evolučnú históriu génov pre kolagenázy v 700 bakteriálnych genómoch. Tieto údaje porovnali s časovo datovaným stromom života, ktorý umožňuje odhadnúť, kedy sa jednotlivé línie oddeľovali a kedy sa určité gény objavili alebo preniesli medzi skupinami. Zistenie, že kolagenázy sú staršie než živočíchy a že sa najprv vyskytovali len u anaeróbov, zapadá do scenára, v ktorom ediakarské mäkké telá odolávali rozkladu, kým sa v ich okolí neminul kyslík. Neskorší prenos do aeróbnych baktérií sa časovo zhoduje s poklesom kvality a množstva fosílií mäkkých tkanív. Hoci ide o nepriamy dôkaz, kombinácia genomických a geologických údajov poskytuje konzistentný obraz.
Ak je hlavným faktorom zachovania mäkkých tkanív evolúcia mikrobiálnych enzýmov, potom fosílny záznam neodráža len to, čo žilo, ale aj to, čo mikróby dovolili zachovať. To mení spôsob, akým interpretujeme veľké vymierania, explózie diverzity alebo zdanlivé medzery v histórii života. Niektoré „chýbajúce“ organizmy mohli existovať, len sa nenašli vhodné podmienky na ich fosilizáciu. Zároveň to znamená, že pri hľadaní raných foriem života musíme brať do úvahy aj vek a rozšírenie mikrobiálnych spoločenstiev. Ako uviedol Alex Liu, výsledky naznačujú zastrešujúci biologický mechanizmus, ktorý formoval záznam mäkkých tkanív v celej histórii Zeme. Táto myšlienka však nie je definitívna – je to interpretácia podporená genetickými a časovými súvislosťami, nie priame pozorovanie.
Rise of collagen-eating microbes may help explain gaps in the fossil record.
Výskum vysvetľuje veľký trend, no neznamená, že kolagenázy sú jediným faktorom. Fosilizácia závisí od mnohých podmienok: rýchlosti pochovania, chemického zloženia sedimentu, teploty, tlaku a ďalších mikrobiálnych procesov. Autori sami pripúšťajú, že v niektorých výnimočných prostrediach sa mäkké tkanivá zachovali aj po prechode do kambria – napríklad pri rýchlom pochovaní. Otázne zostáva, do akej miery bol prenos kolagenáz do aeróbnych baktérií postupný alebo skokový a ako presne ovplyvnil konkrétne náleziská. Rovnako nie je jasné, či podobné mechanizmy pôsobili aj v iných geologických obdobiach. Tieto otázky si vyžadujú ďalší výskum spájajúci mikrobiológiu, geochémiu a paleontológiu.
Širší odkaz: kolagén, plast a budúcnosť rozkladu
Vixseboxse upozorňuje, že príbeh kolagénu sa môže v ďalekej budúcnosti zopakovať s plastom. Rovnako ako dávny kolagén, aj plasty pretrvávajú, kým sa neobjavia enzýmy, ktoré ich dokážu rozložiť. Baktérie nemali dôvod vyvíjať kolagenázy, kým kolagén neexistoval. Keď sa stal hojným zdrojom potravy, enzýmy sa rozmnožili. Možno raz mikróby získajú schopnosť rozkladať aj plastové polyméry, ktoré dnes hromadíme v prostredí. Táto paralela je zatiaľ len úvahou, nie výsledkom štúdie, no poukazuje na hlbšiu myšlienku: biologický rozklad sa prispôsobuje tomu, čo je k dispozícii. Výskum tak pripomína, že evolúcia mikróbov môže mať dôsledky presahujúce ich vlastný svet – ovplyvňuje, čo sa dozvieme o minulosti, a možno aj to, ako sa vyrovnáme s odpadom, ktorý zanechávame.
Na poskytovanie tých najlepších skúseností používame technológie, ako sú súbory cookie na ukladanie a/alebo prístup k informáciám o zariadení. Súhlas s týmito technológiami nám umožní spracovávať údaje, ako je správanie pri prehliadaní alebo jedinečné ID na tejto stránke. Nesúhlas alebo odvolanie súhlasu môže nepriaznivo ovplyvniť určité vlastnosti a funkcie.
Funkčné
Vždy aktívne
Technické uloženie alebo prístup sú nevyhnutne potrebné na legitímny účel umožnenia použitia konkrétnej služby, ktorú si účastník alebo používateľ výslovne vyžiadal, alebo na jediný účel vykonania prenosu komunikácie cez elektronickú komunikačnú sieť.
Predvoľby
Technické uloženie alebo prístup je potrebný na legitímny účel ukladania preferencií, ktoré si účastník alebo používateľ nepožaduje.
Štatistiky
Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na štatistické účely.Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na anonymné štatistické účely. Bez predvolania, dobrovoľného plnenia zo strany vášho poskytovateľa internetových služieb alebo dodatočných záznamov od tretej strany, informácie uložené alebo získané len na tento účel sa zvyčajne nedajú použiť na vašu identifikáciu.
Marketing
Technické úložisko alebo prístup sú potrebné na vytvorenie používateľských profilov na odosielanie reklamy alebo sledovanie používateľa na webovej stránke alebo na viacerých webových stránkach na podobné marketingové účely.
