Деревья получают всю славу, но диатомовые водоросли — микроскопические фотосинтезирующие организмы — производят 20% кислорода Земли и служат основой водных пищевых цепочек.

Их невероятное разнообразие и распространенность делают их одними из самых успешных организмов на планете.

И если мы хотим понять жизнь на Земле в целом, стоит разобраться в их эволюции.

Новое исследование, финансируемое Национальным научным фондом США и проведенное учеными из Университета Арканзаса, показало, что первые 100 миллионов лет диатомеи эволюционировали медленно. Но 170 миллионов лет назад что-то  изменилось: они начали стремительно видоизменяться, причем в десятки раз быстрее, чем раньше. Они меняли форму, размер, способ размножения и даже научились переходить из океанов в пресные водоемы — что для водных организмов обычно серьезный барьер.

Сейчас существует около 100 000 видов диатомей, и это одна из самых разнообразных групп микроводорослей. Они настолько малы, что десятки поместятся на кончике иглы, и живут везде, где есть вода и свет. Никто не защищает их так рьяно, как деревья.

Статья, опубликованная в издании PNAS, основана на почти десятилетней работе под руководством Эндрю Алверсона, профессора биологии. Восемь из пятнадцати авторов исследования так или иначе связаны с Университетом Арканзаса.

Ученые объединили данные окаменелостей с расшифрованными транскриптомами (набором активных генов) 181 вида диатомей, чтобы восстановить ход их эволюции. Впервые генеалогическое древо этих водорослей построили в таком масштабе.

Алверсон отметил, что ключевым фактором резкого видообразования стало удвоение генома — когда организм получает не один набор хромосом от каждого родителя, как у людей, а два.

Удвоение генома — как топливо для эволюции, — объясняет Алверсон. — Это создает огромный запас генетического материала для мутаций. То же самое происходило, например, у цветковых растений: их история полна подобных скачков.

Понимание эволюции диатомей помогает лучше представить, как развивалась жизнь на Земле в целом.

Теперь, зная временные рамки их эволюции, мы можем наложить эту информацию на историю океана, — говорит Алверсон. — Мы знаем, как менялся уровень кремния, азота и кислорода в воде и атмосфере. И видим, что когда диатомеи начали бурно размножаться, содержание кремния в океане резко упало, а кислорода в воздухе — выросло. Теперь мы можем строить гипотезы о том, как они повлияли на планету.

Остается главный вопрос: что именно спровоцировало этот эволюционный взрыв? Изменилась ли среда? Вымерли конкуренты? У Алверсона есть предположения, но точного ответа пока нет.

Мир, возможно, не спешит обнимать микроводоросли, но ученые продолжают раскрывать их секреты.

Это исследование важно не только для биологов. Понимание эволюции диатомей помогает:

• Лучше представить глобальные процессы — их роль в круговороте кислорода, кремния и других элементов.
• Спрогнозировать изменения экосистем — если мы поймем, как они адаптировались в прошлом, сможем предсказать их реакцию на текущие климатические сдвиги.
• Развить биотехнологии — диатомеи уже используют в фильтрах, удобрениях и даже нанотехнологиях; знание их генетики может открыть новые применения.

Хотя работа масштабная, в ней есть пробел: авторы не учитывают влияние горизонтального переноса генов (когда организмы обмениваются генами без размножения). У бактерий и водорослей это частое явление, и оно могло повлиять на скорость эволюции диатомей.

Ранее ученые сообщили, что азот стимулирует рост опасных для здоровья морских водорослей.