나무에는 뿌리 주변에 자라는 잡초와 버섯, 줄기를 기어오르는 다람쥐, 가지에 앉은 새들, 그리고 그 풍경을 사진으로 찍는 사진작가의 공통점이 있다. 그들은 모두 게놈과 세포 기계를 막으로 둘러싸인 구획에 깔끔하게 포장되어 있으며, 진핵생물이라고 불리는 엄청나게 성공적인 생명체 그룹에 배치하는 조직 시스템입니다.

진핵생물의 초기 역사는 현대 생명체가 언제 시작되었고 어떻게 진화했는지 이해하고자 하는 과학자들을 오랫동안 매료시켜 왔습니다. 그러나 지구 역사를 통해 최초의 진핵생물을 추적하는 것은 어려웠습니다. 제한된 화석 데이터에 따르면 이들의 첫 조상은 적어도 1.6억년 전에 나타났습니다. 그러나 그들의 존재에 대한 다른 증거는 없습니다. 진핵생물은 특정한 독특한 분자를 생산하고 남겨야 하지만, 그러한 분자의 화석화된 버전은 800억년 전까지 암석 기록에 나타나지 않습니다. 초기 진핵생물 역사에서 설명할 수 없는 800억년의 공백은 오늘날 모든 복잡한 생명체의 마지막 공통조상이 처음 등장한 결정적인 시기로, 초기 생명체의 이야기를 미스터리로 덮었습니다.

“우리가 생각하는 최초의 진핵생물에 대한 화석 기록과 최초의 진핵생물에 대한 생물학적 지표 증거 사이에는 엄청난 시간적 차이가 있습니다.”라고 말했습니다. 갈렌 할버슨, 몬트리올 맥길 대학교 교수.

이러한 역설적인 격차에 대한 설명은 다양합니다. 어쩌면 그 당시에는 분자화석 증거를 남기기에는 진핵생물이 너무 부족했을 수도 있습니다. 아니면 아마도 그것들은 풍부했지만 그들의 분자 화석은 지질학적 시간의 가혹한 조건에서 살아남지 못했을 것입니다.

최근 연구에서 발표 된 자연 대안적인 설명을 제시합니다. 과학자들은 지금까지 잘못된 화석화된 분자를 찾고 있었을 수도 있습니다. 연구 저자들은 다른 사람들이 찾고 있던 화학 물질의 더 원시적인 버전을 찾았을 때 그것들을 풍부하게 발견했습니다. 이는 그들이 800억년에서 적어도 1.6억년 전에 살았던 진핵생물의 "잃어버린 세계"라고 묘사한 것을 드러냈습니다.

"이 분자들은 항상 거기에 있었습니다."라고 말했습니다. 요헨 브록스, 캔버라에 있는 호주 국립 대학교의 지구화학자이자 당시 대학원생과 함께 연구를 주도한 사람입니다. 벤저민 네터스하임. “우리는 그들이 어떻게 생겼는지 몰랐기 때문에 [그들을] 찾을 수 없었습니다.”

이번 발견은 초기 진핵 생물의 역학에 새로운 명확성을 가져왔습니다. 이러한 분자 화석이 풍부하다는 것은 원시 유기체가 현대 진핵생물의 조상이 자리를 잡기 전 수억 년 동안 바다에서 번성하여 언젠가 우리가 보는 동물, 식물, 균류 및 원생 생물로 진화할 생명체의 씨앗을 뿌렸다는 것을 암시합니다. 오늘.

연구에 참여하지 않은 Halverson은 “이것은 매우 서로 다른 기록을 조화시키는 것처럼 보이는 우아한 가설입니다.”라고 말했습니다. "모든 것이 이해가 됩니다."

이번 발견은 다음과 같은 고생물학자들에게 반가운 소식이었습니다. 피비 코헨, 매사추세츠주 윌리엄스 칼리지 지구과학 학과장 오랫동안 뭔가가 빠졌다고 생각했어요 바이오마커 기록에. 코헨은 “동물이 진화하기 전의 풍부하고 역동적인 생명의 역사가 우리가 볼 수 없기 때문에 이해하기 어렵다”고 말했습니다. "그러나 이는 기본적으로 오늘날 우리가 살고 있는 세계의 무대를 마련하기 때문에 매우 중요합니다."

프로토스테로이드 퍼즐

화석 기록이 압도적일 때, 과학자들은 진화 계통도에서 서로 다른 종이 언제 서로 갈라졌는지 추정하는 다른 방법을 가지고 있습니다. 이러한 도구 중 가장 중요한 것은 분자 시계입니다. 즉, 일정한 속도로 돌연변이를 일으키는 DNA의 뻗기로서 과학자들이 시간의 흐름을 추정할 수 있게 해줍니다. 분자 시계에 따르면, 크라운 그룹(crown group)으로 알려진 다양한 유기체 집합에 속하는 현대 진핵생물의 마지막 공통 조상은 적어도 1.2억년 전에 처음 나타났습니다.

그러나 진핵생물의 이야기는 여기서 시작되지 않습니다. 줄기군으로 알려진 다른 초기 진핵생물은 우리의 첫 번째 공통 조상이 진화하기 전에 수억 년 동안 살았습니다. 연구자들은 그들이 존재했다는 사실 외에는 그들에 대해 거의 알지 못합니다. 발견된 소수의 고대 진핵생물 화석은 줄기나 수관으로 식별하기에는 너무 모호합니다.

설득력 있는 신체 화석이 없는 상황에서 연구자들은 분자 화석을 찾습니다. 신체 화석과 별도로 보존되는 분자 화석은 과학자들이 특정하기 어려울 수 있습니다. 먼저 그들은 연구하려는 유기체에 의해서만 어떤 분자가 생산될 수 있는지 확인해야 합니다. 그런 다음 그들은 모든 분자가 잘 화석화되지는 않는다는 사실을 처리해야 합니다.

유기 물질은 다양한 속도로 부패하며, 진핵생물의 일부 부분은 다른 부분보다 암석에 더 잘 보존됩니다. 조직이 먼저 용해됩니다. DNA는 더 오래 머물 수 있지만 너무 오래 머물지는 않습니다. 지금까지 발견된 가장 오래된 DNA는 약 2만 년 전입니다. 그러나 지방 분자는 잠재적으로 수십억 년 동안 생존할 수 있습니다.

진핵생물은 세포막의 중요한 구성 요소인 스테로이드의 일종인 스테롤로 알려진 막대한 양의 지방 분자를 생성합니다. 세포막의 존재는 진핵생물의 지표이고 지방 분자는 암석에 남아 있는 경향이 있기 때문에 스테롤은 진핵생물 그룹의 분자화석이 되었습니다.

현대 진핵생물은 세 가지 주요 스테롤 계열, 즉 동물의 콜레스테롤, 식물의 피토스테롤, 균류 및 일부 원생 생물의 에르고스테롤을 사용합니다. 이들의 합성은 선형 분자로 시작하는데, 세포는 11개의 고리로 형성되어 최종 모양이 막에 완벽하게 들어맞는다고 Brocks는 말했습니다. 이 과정에는 여러 단계가 있습니다. 동물 세포가 콜레스테롤을 만드는 데는 XNUMX개의 효소 단계가 더 필요하고, 식물 세포는 피토스테롤을 만드는 데 XNUMX개의 효소 단계가 더 필요합니다.

고급 스테롤을 만드는 과정에서 세포는 그 과정의 각 단계에서 일련의 단순한 분자를 생성합니다. 인공 막에 연결되면 이러한 중간 스테롤조차도 세포가 제대로 기능하는 데 필요한 투과성과 강성을 제공합니다. 1964년에 노벨상을 수상한 생화학자 콘라트 블로흐(Konrad Bloch)는 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 콜레스테롤을 만드는 세포 단계, "그것이 어리둥절했습니다"라고 Brocks는 말했습니다. 더 단순한 분자가 그 일을 할 수 있는데 왜 세포는 더 복잡한 스테롤을 만들기 위해 추가적인 노력을 기울일까요?

1994년에 Bloch는 이들 중간 스테롤 각각이 한때 조상 진핵 세포의 막에 사용된 최종 생성물이었다고 예측한 책을 썼습니다. 각각의 추가 단계에는 더 많은 세포 에너지가 필요할 수 있지만 결과 분자는 이전 단계에 비해 약간 개선되었습니다. 이는 전구체를 능가하고 진화 역사를 장악하기에 충분한 업그레이드였습니다.

그것이 사실이라면, 약 800억 년 전 현생 진핵생물이 급속히 팽창하기 전에는 왜 아무도 스테롤 분자화석을 발견할 수 없었는지 설명이 될 것입니다. 연구자들은 암석 기록에서 콜레스테롤과 기타 현대 구조를 찾고 있었습니다. 그들은 고대 생화학적 경로가 더 짧았다는 것과 줄기 그룹 유기체가 현대 스테롤을 만드는 것이 아니라 프로토스테롤을 만들었다는 사실을 깨닫지 못했습니다.

분자 커피 분쇄

Bloch가 사망한 지 약 2005년 후인 XNUMX년에 Brocks와 동료들은 다음과 같이 보고했습니다. 자연 첫 번째 힌트는 그러한 중간 분자가 한때 존재했다는 것입니다. 고대 퇴적물에서 그들은 그들이 인식하지 못했던 비정상적으로 구조화된 스테로이드를 발견했습니다. 그러나 당시 브록스는 진핵생물이 그것들을 창조할 수 있다는 것을 고려하지 않았습니다. “그때 나는 그것이 박테리아라고 확신했습니다.”라고 그는 말했습니다. "아무도 줄기 그룹 진핵생물의 가능성에 대해 전혀 생각하지 않았습니다."

그는 계속해서 고대 암석을 샘플링하고 이러한 호기심 많은 분자를 찾았습니다. 연구를 시작한 지 약 XNUMX년이 지났을 때, 그와 Nettersheim은 ​​암석 샘플의 많은 분자 구조가 "원시적"으로 보이며 박테리아가 일반적으로 만드는 구조와 다르다는 것을 깨달았다고 Brocks는 말했습니다. Bloch의 중간 스테롤일 수 있습니까?

그들은 더 많은 증거가 필요했습니다. 그 후 XNUMX년 동안 브록스와 네터스하임은 석유 및 광산 회사에 연락하여 시추 탐사 중에 우연히 발견한 고대 퇴적물의 샘플을 요청했습니다.

“대부분의 사람들은 두 가지 사례를 찾아 출판했을 것입니다.”라고 말했습니다. 앤드류 놀, 하버드 대학교 자연사 교수는 이번 연구에 참여하지 않았습니다. (그는 몇 년 전에 Brocks의 박사후 연구원이었습니다.) "Jochen은 XNUMX년의 대부분을 전 세계 원생대의 암석을 관찰하면서 보냈습니다."

한편, 연구자들은 퇴적물에서 분자를 식별하기 위한 검색 템플릿을 만들었습니다. 그들은 스테롤 합성 중에 만들어진 현대의 중간 분자를 그럴듯한 지질학적 스테로이드 등가물로 전환했습니다. (예를 들어 콜레스테롤은 콜레스테인으로 화석화됩니다.) “분자가 어떻게 생겼는지 모르면 볼 수 없습니다.”라고 Brocks는 말했습니다.

연구실에서 그들은 "커피를 만드는 것과 약간 유사한" 과정을 사용하여 퇴적물 샘플에서 화석 분자를 추출했다고 Nettersheim은 ​​말했습니다. 암석을 분쇄한 후, 그들은 내부의 분자를 추출하기 위해 유기 용매를 첨가했습니다. 마치 뜨거운 물을 사용하여 로스팅하고 분쇄한 콩에서 커피를 추출하는 것과 같습니다.

샘플을 분석하고 참조 자료와 비교하기 위해 그들은 분자의 무게를 결정하는 질량 분석법과 원자 구성을 밝히는 크로마토그래피를 사용했습니다.

그 과정은 힘들다. 브록스는 “수백 개의 암석을 분석했지만 아무것도 찾지 못했다”고 말했습니다. 무언가를 발견하게 되면 최근부터 오염된 경우가 많습니다. 그러나 더 많은 샘플을 분석할수록 더 많은 화석이 발견되었습니다.

일부 샘플에는 프로토스테로이드가 가득 채워졌습니다. 그들은 800억년에서 1.6억년 전의 암석에서 분자를 발견했습니다. 현대 진핵생물이 출현하기 전 약 800억년 동안 고대 진핵생물이 존재했을 뿐만 아니라 그 수가 풍부했던 것 같습니다.

연구자들은 스테로이드가 더욱 복잡해짐에 따라 진핵생물의 진화 과정도 인식할 수 있었습니다. 예를 들어, 1.3억년 된 암석에서 그들은 1.6억년 된 프로토스테로이드보다 더 발전했지만 현대 스테로이드만큼 발전하지는 않은 중간 분자를 발견했습니다.

“그것은 사라진 분자화석 기록을 처리하는 매우 영리한 방법이었습니다.”라고 말했습니다. 데이비드 골드, 데이비스 캘리포니아 대학의 지구생물학자인 그는 이번 연구에 참여하지 않았습니다. 그들의 발견은 현대 생명이 어떻게 탄생했는지에 대한 이야기에서 800억년의 공백을 즉시 메웠습니다.

잃어버린 세계

유전적 데이터와 화석 데이터를 종합한 이번 분자 발견은 약 1억년 전 신비한 원생대 중기의 초기 진핵생물 역학에 대한 가장 명확한 그림을 보여준다고 전문가들은 말했다. 브록스와 네터스하임의 증거에 따르면, 줄기군과 왕관군 진핵생물은 수억 년 동안 함께 살았을 가능성이 높으며, 지질학자들이 느린 생물학적 진화로 인해 지루한 십억(Boring Billion)이라고 부르는 기간 동안 서로 경쟁했을 가능성이 높습니다.

이 기간 동안 더 현대적인 스테로이드가 없다는 것은 크라운 그룹이 즉시 자리를 잡지 못했다는 것을 암시합니다. 오히려 막에 묶인 유기체는 고대 생태계에서 틈새를 발견하면서 작게 시작했다고 Gold는 말했습니다. “[진핵생물]이 생태학적으로 지배적이 되기까지는 오랜 시간이 걸립니다.”라고 그는 말했습니다.

처음에는 줄기 그룹이 유리했을 수도 있습니다. 대기 중 산소 수준은 오늘날보다 훨씬 낮았습니다. 프로토스테롤을 만드는 데는 현대 스테롤이 필요로 하는 것보다 적은 산소와 에너지가 필요하기 때문에 줄기 그룹 진핵생물이 더 성공적이고 풍부했을 가능성이 높습니다.

세계가 토니안 시대(Tonian Period)라고 알려진 중요한 전환기를 맞이하면서 그들의 영향력은 쇠퇴했습니다. 1억년에서 720억 XNUMX천만년 전 사이에 바다에서 산소, 영양소 및 기타 세포 원료가 증가했습니다. 조류 및 곰팡이와 같은 현대 진핵생물의 화석이 암석 기록에 나타나기 시작하고, 화석화된 바이오마커에서 현대 스테로이드의 수가 프로토스테로이드보다 많아지기 시작합니다. 이는 왕관형 진핵생물이 번성하고 숫자가 증가하며 다양화되기 시작했음을 시사하는 증거입니다.

스테롤은 왜 시간이 지남에 따라 더 복잡해 집니까? 저자들은 더 복잡한 스테롤이 소유자에게 진화적 이점을 제공했다고 제안했습니다. 이는 아마도 생물 세포막의 역학과 관련이 있을 것입니다. 이유가 무엇이든, 스테롤 변화는 진화적으로 중요했습니다. 현대 스테롤의 구성은 아마도 꼭대기 그룹의 진핵생물이 줄기 그룹에 비해 더 많은 힘을 갖게 되었을 것입니다. 결국, “이 잃어버린 고대 진핵생물의 세계는 현대 진핵생물로 대체되었습니다”라고 브록스는 말했습니다.

세균성 주름

연구자들의 스테롤 진화론적 이야기는 설득력이 있지만 확고하지는 않습니다.

그들의 해석이 정확하다면 “나는 놀라지 않을 것”이라고 Gold는 말했습니다. 그러나 또 다른 가능성이 있습니다. 과학자들은 스테롤을 진핵생물과 연관시키는 경향이 있지만 일부 박테리아도 스테롤을 만들 수 있습니다. 연구에 사용된 분자 화석이 박테리아에 의해 남겨진 것일 수 있습니까?

고든 러브University of California, Riverside의 지구화학자인 는 박테리아 시나리오가 더 합리적이라고 생각합니다. “이 프로토스테로이드는 모든 연령대의 암석에서 나타납니다.”라고 그는 말했습니다. "그들은 그냥 사라지는 것이 아닙니다. 이는 줄기 진핵생물이 아닌 다른 어떤 것이 그것을 만들 수 있다는 것을 의미합니다." 그는 당시 바다를 지배하고 있던 박테리아가 프로토스테로이드를 쉽게 생산할 수 있었다고 주장했습니다.

저자는 그럴 가능성도 배제할 수 없다. 사실, 그들은 화석 분자 중 일부가 박테리아에 의해 만들어졌다고 의심합니다. 그러나 수억 년 동안 이어져온 화석화된 프로토스테로이드의 방대한 수집물이 전적으로 박테리아에 의해 만들어졌을 가능성은 거의 없다고 브록스는 말했습니다.

“오늘날 이들 박테리아의 생태와 그 풍부함을 살펴보면, 그들이 이 모든 분자를 생산할 수 있을 정도로 풍부해질 수 있었다고 믿을 이유가 전혀 없습니다.”라고 그는 말했습니다. 현대 세계에서 박테리아는 열수천이나 메탄 누출과 같은 틈새 환경에서만 프로토스테롤을 생산합니다.

윌리엄스 대학의 고생물학자인 코헨(Cohen)은 브록스의 의견에 동의합니다. 이 분자들이 진핵생물에 의해 만들어졌다는 해석은 화석 기록부터 분자 시계 분석에 이르기까지 “다른 모든 증거와 일치한다”고 그녀는 말했습니다. 그녀는 그 가능성에 대해 “나는 그렇게 걱정하지 않는다”고 말했다.

어느 해석이든 답변보다 더 많은 질문을 제시합니다. 브록스는 “두 이야기 모두 정말 이상할 것”이라고 말했다. 그는 “우리 세계에 대한 서로 다른 견해”이며 어느 것이 사실인지 아는 것이 좋을 것이라고 덧붙였습니다.

타임머신이 없기 때문에 연구자들은 어떤 식으로든 확실성을 높이기 위해 더 많은 증거를 찾고 있습니다. 그러나 고대 생명체를 재구성하거나 인식하는 방법에는 한계가 있으며, 심지어 과학자들의 최선의 추측조차도 그 격차를 완전히 메울 수는 없습니다. “대부분의 생명체는 지구에 어떤 흔적도 남기지 않았습니다.”라고 Nettersheim은 ​​말했습니다. “우리가 볼 수 있는 기록은 제한되어 있습니다. … 지구 역사의 대부분 동안 생명체는 매우 다르게 보였을 것입니다.”

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