PNAS: первые животные на Земле были морскими губками

Фото из открытых источников

Группа геохимиков Массачусетского технологического института обнаружила новые доказательства в очень древних породах, позволяющие предположить, что некоторые из первых животных на Земле были вероятными предками современных морских губок.

В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи сообщают об обнаружении «химических окаменелостей», которые могли быть оставлены древними губками в породах возрастом более 541 миллиона лет. Химическая окаменелость — это остаток биомолекулы, произошедшей от живого организма, которая с тех пор была погребена, трансформировалась и сохранилась в осадочных породах, иногда на протяжении сотен миллионов лет.

Недавно обнаруженные химические ископаемые остатки представляют собой особые типы стеранов – геологически устойчивую форму стеролов, таких как холестерин, которые присутствуют в клеточных мембранах сложных организмов. Исследователи проследили происхождение этих особых стеранов до класса морских губок, известных как демогубки. Сегодня демогубки бывают самых разных размеров и окрасок и обитают в океанах, являясь мягкими и скользкими фильтраторами. Их древние аналоги, возможно, имели схожие характеристики.

«Мы не знаем точно, как выглядели эти организмы в то время, но они, несомненно, жили в океане, имели мягкое тело, и мы предполагаем, что у них не было кремниевого скелета», — говорит профессор Роджер Саммонс из Массачусетского технологического института (EAPS).

Открытие группой химических окаменелостей, специфичных для губок, убедительно доказывает, что предки демогубок были одними из первых эволюционировавших животных, и, вероятно, это произошло гораздо раньше, чем у остальных основных групп животных Земли.

Новое исследование основано на результатах, впервые опубликованных группой в 2009 году. В этом исследовании группа идентифицировала первые химические окаменелости, предположительно, относящиеся к древним губкам. Они проанализировали образцы горных пород из обнажения в Омане и обнаружили удивительное обилие стеранов, которые, как они определили, представляли собой сохранившиеся остатки 30-углеродных (C30) стеролов — редкой формы стероидов, которая, как они показали, вероятно, произошла от древних морских губок.

Стераны были обнаружены в очень древних породах, образовавшихся в эдиакарский период, охватывающий период примерно от 541 миллиона до 635 миллионов лет назад. Этот период предшествовал кембрию, когда на Земле произошел внезапный и глобальный взрыв развития сложной многоклеточной жизни. Открытие группы предполагает, что древние губки появились гораздо раньше большинства многоклеточных организмов и, возможно, были одними из первых животных на Земле.

Однако вскоре после обнародования этих результатов появились альтернативные гипотезы, объясняющие происхождение стеранов C30, включая предположение о том, что эти химические вещества могли быть созданы другими группами организмов или неживыми геологическими процессами.

Команда утверждает, что новое исследование подтверждает их раннюю гипотезу о том, что древние губки оставили после себя эту особую химическую летопись, поскольку они обнаружили новое химическое ископаемое в тех же докембрийских породах, которое почти наверняка имеет биологическое происхождение.

Как и в предыдущей работе, исследователи искали химические окаменелости в породах, относящихся к эдиакарскому периоду. Они собрали образцы из кернов и обнажений в Омане, Западной Индии и Сибири и проанализировали породы на наличие стеранов – геологически стабильной формы стеролов, присутствующей у всех эукариот (растений, животных и любых организмов с ядром и мембранными органеллами).

«Вы не эукариот, если у вас нет стеролов или сопоставимых мембранных липидов», — говорит Саммонс.

Основная структура стерола состоит из четырёх соединённых углеродных колец. Дополнительные боковые цепи углерода и химические соединения могут присоединяться к стеролу и расширять его структуру в зависимости от того, что способны продуцировать конкретные гены организма. Например, у человека стерол холестерин содержит 27 атомов углерода, в то время как стеролы растений обычно содержат 29 атомов углерода.

«Очень необычно найти стерин с 30 атомами углерода», — говорят ученые.

Химическое ископаемое, обнаруженное исследователями в 2009 году, представляло собой 30-углеродный стерол. Кроме того, команда определила, что это соединение могло синтезироваться благодаря наличию особого фермента, кодируемого геном, общим для губок-демо.

В своём новом исследовании учёные сосредоточились на химии этих соединений и обнаружили, что тот же ген, полученный из губки, может продуцировать ещё более редкий стерол с 31 атомом углерода (C31) . Анализируя образцы горных пород на наличие стеранов C31, они обнаружили его в удивительно большом количестве, наряду с вышеупомянутыми стеранами C30.

«Эти особые стераны существовали всегда, — говорят авторы исследования. — Чтобы найти их и по-настоящему понять их значение и происхождение, нужно было задавать правильные вопросы».

Исследователи также получили образцы современных демогубок и проанализировали их на наличие стеролов C31. Они обнаружили, что стеролы — биологические предшественники стеранов C31, обнаруженных в горных породах, — действительно присутствуют у некоторых видов современных демогубок. Пойдя ещё дальше, они химически синтезировали в лабораторных условиях восемь различных стеролов C31 в качестве эталонов для проверки их химической структуры. Затем они обработали молекулы способами, имитирующими изменения стеролов при отложении, захоронении и воздействии давления в течение сотен миллионов лет.

Они обнаружили, что продукты только двух таких стеролов точно соответствуют форме стеролов C31, обнаруженных ими в образцах древних пород. Присутствие двух и отсутствие остальных шести свидетельствует о том, что эти соединения не были получены в результате случайного небиологического процесса.

Результаты, подтверждённые многочисленными исследованиями, убедительно подтверждают идею о том, что стераны, обнаруженные в древних породах, действительно были произведены живыми организмами, а не геологическими процессами. Более того, эти организмы, вероятно, были предками губок-демо, которые до сих пор сохранили способность производить тот же ряд соединений.

«Это сочетание того, что содержится в горной породе, того, что содержится в губке, и того, что можно получить в химической лаборатории», — говорит Саммонс. «У нас есть три взаимодополняющих, взаимосогласующихся доказательства, указывающие на то, что эти губки были одними из самых древних животных на Земле».

«В этом исследовании мы показываем, как аутентифицировать биомаркер, подтверждая, что сигнал действительно исходит от жизни, а не является результатом загрязнения или небиологической химии», — добавляет соавтор исследования Любна Шавар из Калифорнийского технологического института.

Теперь, когда команда доказала, что стерины C30 и C31 являются надёжными индикаторами существования древних губок, они планируют искать химические окаменелости в древних породах из других регионов мира. На основании изученных ими образцов пород они могут сказать лишь, что отложения и губки образовались в течение эдиакарского периода. С получением большего количества образцов у них появится возможность уточнить, когда сформировались некоторые из первых животных.