Tidiga livsformer hade mycket sannolikt metabolismer som förvandlade den ursprungliga jorden, som att sätta igång kolets kretslopp och producera det mesta av planetens syre genom fotosyntes. För cirka 3,5 miljarder år sedan, jorden verkar redan ha varit täckt av flytande hav, men solen vid den tiden var inte stark eller varm nog att smälta is. För att förklara hur haven förblev ofrusna, det har föreslagits att växthusgaser som metan orsakade uppvärmning i den tidiga atmosfären, precis som de gör i den globala uppvärmningen idag.

Naturligt förekommande metan produceras huvudsakligen av en grupp mikrober, metanogena arkéer, genom en metabolism som kallas metanogenes. Även om det finns vissa bevis från kolisotopdata för att metankällor så gamla som 3,5 miljarder år gamla kan ha varit biologiskt ursprung, hittills har det inte funnits några solida bevis för att metanproducerande mikrober fanns tillräckligt tidigt i jordens historia för att vara ansvarig för att hålla den tidiga jorden uppvärmd.

Nu, i en artikel publicerad i tidskriften Naturekologi och evolution , Jo Wolfe, en postdoc vid Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) vid MIT, och Gregory Fournier, en biträdande professor i EAPS, rapportera nytt arbete som kombinerar horisontell genöverföringsdata med det mikrobiella fossila rekordet som gjorde det möjligt för dem att uppskatta absoluta åldrar för metanproducerande mikrober på den geologiska tidslinjen.

Paleontologi möter genetik

Wolfe är en paleontolog som specialiserat sig på hur fossila och levande djurarter är släkt i livets träd. Fournier specialiserar sig på att utforska hur genomer från levande organismer kan användas för att studera den tidiga utvecklingen av mikrober. Att knäcka detta pussel krävde båda expertområdena.

"Spårkemiska bevis tyder på att metan och mikroberna som producerade det kunde ha varit närvarande, men vi visste inte om metogena arkéer faktiskt var närvarande vid den tiden, " säger Wolfe.

För att överbrygga mellan fossil och genomisk data, Wolfe och Fournier använde genom från levande mikrober som bevarar ett register över deras tidiga historia. Dessa DNA-sekvenser kan nås genom fylogenetisk analys och jämföras med varandra, forskarna förklarar, för att hitta det bästa förgrenade "trädet" som beskriver deras utveckling. När man arbetar längs det här trädet, grenarna representerar allt äldre linjer av mikrober som fanns i jordens djupa historia. Förändringar längs dessa grenar kan mätas, producerar en molekylär klocka som beräknar evolutionens hastighet längs varje gren, och, från det, en probabilistisk uppskattning av den relativa och absoluta tidpunkten för gemensamma förfäder inom trädet. En molekylär klocka kräver fossiler, dock, som metanogener saknar.

Kalibrera livets träd

För att lösa denna svårighet, Wolfe och Fournier utnyttjade horisontella genöverföringar, eller utbyten av genetiskt material mellan förfäder till olika grupper av organismer. Till skillnad från vertikal överföring av DNA från förälder till avkomma - vilket är hur de flesta mänskliga gener ärvs - kan horisontella överföringar överföra gener mellan avlägset besläktade mikroorganismer. De fann att gener donerades från en grupp inom den metanogena archaea till förfadern till alla syreproducerande fotosyntetiska cyanobakterier, som har några fossiler. Genom att använda genöverföringarna och de cyanobakteriella fossilerna tillsammans, de kunde begränsa och styra metanproducenternas molekylära klocka, och fann att de metanproducerande mikroberna verkligen var över 3,5 miljarder år gamla, stödjer hypotesen att dessa mikrober kunde ha bidragit till tidig global uppvärmning.

"Detta är den första studien som kombinerar genöverföringar och fossiler för att uppskatta absoluta åldrar för mikrober på den geologiska tidslinjen, Fournier säger. "Att känna till mikrobiella gruppers åldrar gör att vi kan utöka denna kraftfulla metod för att studera andra händelser i tidig planetarisk och miljömässig evolution, och slutligen, att bygga en tidsskala för allt livs träd."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.