Forskare vet att atmosfäriskt syre oåterkalleligt ackumulerades på jorden för cirka 2,3 miljarder år sedan, vid en tid som kallas den stora oxidationshändelsen, eller GOE. Innan dess var allt liv mikrobiellt, och de flesta, om inte alla, miljöer var anoxiska (det vill säga innehöll inget syre). Syre producerades först en tid före GOE genom utvecklingen av en grupp fotosyntetiska bakterier som kallas cyanobakterier. Att släppa ut syre som en biprodukt av klyvning av vatten för att förvärva elektroner som ska drivas av ljus, denna process ledde till dramatiska förändringar i både de biologiska och geokemiska processerna på planetarisk skala. Så småningom, den fortsatta ackumuleringen av syre ledde till en oxiderad yta, atmosfär, och havet som kvarstår än idag.

Förutom att belysa en grundläggande förändring i jordens klimat, man hoppas att förstå GOE kommer att hjälpa forskare att få insikt i uppkomsten av eukaryoter - cellulära organismer som vi människor, i vilket genetiskt material är DNA i form av kromosomer som finns i en distinkt kärna. Eukaryoter kräver syre för att producera steroler, en viktig del av deras cellmembran. Vidare, eukaryoter innehåller också mitokondrier, organeller härstammar från gamla bakterier som använder syre för att generera energi med hjälp av aerob andning.

Det finns för närvarande två tankar om hur syrehalten steg:Den första föreslår en liten initial höjning vid GOE:s tidpunkt, med låga men stabila nivåer tills de ökade igen för cirka 600 miljoner år sedan, närmar sig moderna nivåer. Den andra ger en mer oscillerande ökning med en större ökning omedelbart efter GOE, och sedan en efterföljande krasch, med nivåer som bara ökade igen för 600 miljoner år sedan.

Medan geologer har kunnat fastställa allt mer exakta datum för start av GOE genom geokemiska analyser, förmågan att detektera övergående variationer i syrenivåer efter GOE upptäcks mindre lätt i bergskivan. Dock, under de senaste decennierna, det vore rättvist att säga, vetenskapen har upplevt en "stor genomisk händelse" genom vilken biologer, beväpnad med förmågan att sekvensera gener allt snabbare, nu jobbar de hårt med att ordna allt de kan lägga händerna på. Och det visar sig att genomik kan hålla svaret på hur syre fortsatte att ackumuleras,

Greg Fournier, en biträdande professor i geobiologi vid Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap vid MIT, är expert på molekylär fylogenetik, upptäcka de evolutionära historierna för gener och genomer inom mikrobiella linjer över geologiska tidsskalor.

Ett särskilt aktuellt intresse är upptäckten av händelser i utvecklingen av mikrobiella metaboliser som sannolikt överensstämmer med globala förändringar i jordens biogeokemiska cykler, inklusive syre.

Molekylärt syre (O2) övergår lätt till en extremt reaktiv "fri radikal" form med en oparad elektron som kallas superoxid, en kemikalie som är mycket skadlig för många biologiska system. Många organismer skyddas mot superoxider av superoxiddismutasenzymer som omvandlar superoxid till väteperoxid, det första steget i avgiftning av denna förening. Den finns i de flesta bakterier som finns (dvs de som lever idag) men antas ursprungligen ha uppstått som svar på den alltmer syrerika miljön hos GOE.

Fournier är expert på en process som kallas horisontell genöverföring, eller HGT. HGT är utbyte av genetiskt material mellan cellulära organismer annat än genom vanlig "vertikal" överföring av DNA från förälder till avkomma. Han tror att HGT-bevis på syrerelaterade gener som superoxiddismutas kommer att göra det möjligt för honom att skilja mellan en stadig och en fluktuerande uppbyggnad.

"Om syret steg och förblev stabilt borde vi se många sådana överföringshändelser i samband med superoxiddismutas, "Fournier förklarar." Om det steg och sedan föll tillbaka skulle vi förvänta oss att se överföringshändelser följt av försvinnandet av genen i olika linjer, eftersom behovet av att skydda mot syre skulle ha upphört. "

Eftersom genetiska data från gamla utdöda släktlinjer inte är tillgängliga, medlemmar av Fournier's Lab använder gensekvenser samplade över moderna organismer, bygga evolutionära träd som kallas fylogenier för att utforska hur de förhåller sig till varandra. Genom att jämföra dessa genträd med de bästa gissningarna om hur de mikrobiella organismerna är relaterade, överföringshändelser kan upptäckas, och deras relativa tidpunkt utledas.

Abigail Caron, en postdoc i Fournier Group, använder ett datorkluster som ligger i Massachusetts Green High Performance Computing Center (MGHPCC) för att köra genetiska analyser på olika bakterier som letar efter fall av horisontell genöverföring, och kartlägga dessa händelser över många släktlinjer.

För endast ett litet antal gensekvenser, Caron kan använda en process som heter Ranger DTL (Rapid ANalysis of Gene Family Evolution using Reconciliation DTL) som körs på sin bärbara dator. Men försöker jämföra och integrera genhistorier över 8, 000 bakteriearter, införliva komplexa modeller av osäkerhet inom enskilda trädanalyser, som hon försöker göra, är för intensiv för någon dator. Med MGHPCC -klustret att arbeta med kan hon köra flera analyser samtidigt över dussintals processorer, möjliggör sådana högupplösta undersökningar av dessa geners historia.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.