Древние белки, улавливающие свет, на которые мы рассчитываем, могут помочь нам найти инопланетную жизнь

Обнаружим ли мы где-нибудь простую жизнь? Может быть, на Энцеладе или Европе в нашей Солнечной системе или еще дальше, на экзопланете?

По мере того, как мы становимся все более опытными в изучении нашей Солнечной системы и изучении экзопланет, перспектива найти какую-нибудь простую жизнь уходит в прошлое. творческой сфере научной фантастики и в планировании конкретных миссий.

По мере приближения обнадеживающего дня открытий самое время задаться вопросом: как может выглядеть эта потенциальная жизнь?

A группа исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде изучила древнюю Землю и некоторых ее первых обитателей, чтобы пролить свет на то, как могла выглядеть простая жизнь в других мирах и как могла выглядеть атмосфера.

Земля сейчас сильно отличается от той, когда на ней была только простая жизнь. Великое событие насыщения кислородом (GOE) навсегда изменило Землю и поставило ее на путь превращения в планету, которой она является сегодня, с богатой кислородом атмосферой и сложной жизнью. До GOE атмосфера Земли была совсем другой, и причиной изменений была жизнь. Эта краткая история иллюстрирует важный факт: жизнь и окружающая ее среда взаимосвязаны.

Ранние формы жизни на Земле жили в сравнительно бедной энергией среде, в атмосфере с низким содержанием кислорода.

Солнечный свет. была единственной доступной энергией, и задолго до того, как развился фотосинтез, формы жизни использовали солнечный свет по-разному.

Они использовали белки, называемые родопсинами , для захвата солнечной энергии, и эти белки были более простым способом использования энергии Солнца, чем более сложный фотосинтез.

«На ранней Земле энергии могло быть очень мало. Бактерии и археи поняли, как использовать обильную энергию Солнца без сложных биомолекул, необходимых для фотосинтеза», — сказал Калифорнийский университет в Риверсайде. астробиолог Эдвард Швитерман в пресс-релизе.

Швитерман является соавтором нового исследования, опубликованного в журнале Molecular Biology and Evolution. Исследование называется «Самые ранние ниши фотической зоны, исследованные наследственными микробными родопсинами», а руководителем исследования является Бетул Какар, астробиолог из Университета Висконсин-Мэдисон.

Доказательство их полезности: родопсины не исчезают вместе с породившими их ранними формами жизни. Сегодня они широко распространены в организмах, включая нас. Они присутствуют в палочках сетчатки наших глаз, где они отвечают за зрение при слабом освещении. Они также встречаются в современной простой жизни в таких местах, как соленые пруды.

Их присутствие в современной жизни обеспечивает связь с эволюционной историей родопсинов. Исследователи изучают эту связь, используя машинное обучение и секвенирование белков. Используя эти инструменты, исследователи могли отслеживать эволюцию белков в геологических временных масштабах.

Оглядывание жизни и атмосферы Земли сейчас не является хорошим показателем того, как искать жизнь в других мирах. Наша нынешняя атмосфера богата кислородом, но, согласно некоторым исследованиям, ранняя атмосфера Земли могла быть больше похожа на атмосферу Венеры.

Отслеживая эволюцию родопсинов, авторы новой статьи построили генеалогическое древо белки. Им удалось реконструировать родопсины от 2,5 до 4 миллиардов лет назад.

Большая часть наших поисков жизни сосредоточена на планетарных атмосферах. Конкретные атмосферные молекулы могут быть биомаркерами, но чтобы узнать, какие из них могут сигнализировать о наличии простой ранней жизни, нам нужно подробно знать, какой была ранняя атмосфера Земли, когда на планете была простая жизнь.

«Расшифровка сложных взаимосвязей между жизнью и окружающей средой, в которой она обитает, имеет решающее значение для реконструкции факторов, определяющих обитаемость планет в геологических временных масштабах», — пишут авторы в начале своей статьи, и это готовит почву для представляемых ими результатов.

«Жизнь, какой мы ее знаем, является выражением условий на нашей планете в той же степени, что и самой жизни. Мы воскресили древние последовательности ДНК одной молекулы, и это позволило нам установить связь с биологией и окружающей средой прошлого. », — сказал руководитель исследования Какар.

Исследование команды проводится параллельно генеалогическому тестированию, доступному нам сегодня. Мы можем представить нашу ДНК и многое узнать о том, откуда мы пришли. Интенсивная работа команды — это гораздо более глубокое погружение, чем это, но сравнение полезно.

«Это все равно, что взять ДНК многих внуков, чтобы воспроизвести ДНК их бабушек и дедушек. Только это не бабушки и дедушки, а крошечные вещи, которые жили миллиарды лет назад во всем мире», — сказал Швитерман.

Исследователи обнаружили различия между древними и современными родопсинами в поглощаемом ими свете. Согласно генетическим реконструкциям, древние родопсины поглощали в основном синий и зеленый свет, тогда как современные родопсины поглощают синий, зеленый, желтый и оранжевый свет. Это ключ к разгадке экологических различий между древней и современной Землей.

Мы знаем, что на древней Земле не было озонового слоя до ГВ, которое произошло примерно от 2 до 2,4 миллиардов лет назад.

>Озоновый слой не может существовать без свободного кислорода в атмосфере, а без озонового слоя жизнь на Земле подвергалась гораздо большему воздействию УФ-излучения, чем сейчас.

В настоящее время озоновый слой Земли поглощает от 97 до 99 процентов солнечного УФ-излучения.

Исследователи считают, что способность древних родопсинов поглощать синий и зеленый свет, а не желтый и оранжевый, означает, что жизнь, которая полагалась на него, жила на глубине нескольких метров в столб воды. Водяной столб над организмами защищал их от жесткого УФ-излучения на поверхности воды.

После GOE озоновый слой обеспечивал защиту от солнечного УФ-излучения, и жизнь развила более современные родопсины, которые могут поглощать больше легкий. Таким образом, современные родопсины могут поглощать желтый и оранжевый свет наряду с синим и зеленым светом.

Современные родопсины могут поглощать свет, чего не могут фотосинтетические пигменты хлорофилла. Подчеркивая эволюционную элегантность, современные родопсины и фотосинтез дополняют друг друга, поглощая разный свет, хотя это не связанные между собой и независимые механизмы. Эти взаимодополняющие отношения представляют собой своего рода загадку в эволюции.

«Это предполагает совместную эволюцию, когда одна группа организмов использует свет, не поглощаемый другой», — сказал Швитерман. «Это могло быть связано с тем, что первыми развились родопсины и экранировали зеленый свет, поэтому позже развились хлорофиллы, чтобы поглотить остальные. Или все могло произойти наоборот».

Многие ключи к разгадке природы ранней жизни Земли содержатся в геологии. Ученые регулярно изучают древние горные породы, чтобы понять, как выживала и развивалась ранняя жизнь.

Они также изучают поведение Солнца и то, сколько его энергии достигает поверхности планеты по мере того, как Земля менялась с течением времени. Но теперь у них есть еще один инструмент.

«Информация, закодированная в самой жизни, может дать новое понимание того, как наша планета сохраняет планетарную обитаемость там, где геологические и звездные выводы терпят неудачу», — объясняют авторы в своей статье.

В древней жизни родопсины действовали как протонный насос. Протонный насос создает градиент энергии в форме жизни. Это отдельно от фотосинтеза, который производит химическую энергию для выживания организма. Протонный насос и градиент энергии создают разность электрохимических потенциалов на клеточной мембране. Это похоже на батарею, потому что градиент представляет энергию для последующего использования.

Но нам, людям, интересующимся наукой, не нужно точно знать, как они работают. Мы можем понять, как они могут помочь нам идентифицировать экзопланетные атмосферы, похожие на атмосферу примитивной Земли, и простую жизнь, которая там процветала.

Команда говорит, что они могут использовать информацию, закодированную в биомолекулах, чтобы понять ниши, где сохранилась древняя жизнь, которая не существует. нигде в нашей палеонтологической летописи нет. Они называют их палеосенсорами.

Исследователи говорят, что, поскольку «…функциональная диверсификация и спектральная настройка этого таксономически разнообразного семейства белков…» связаны друг с другом, родопсины являются отличным лабораторным испытательным полигоном для идентификации дистанционно обнаруживаемых биосигнатур на экзопланет.

И они еще не закончены.

Они намерены использовать методы синтетической биологии, чтобы понять древние родопсины, как они помогли сформировать древнюю атмосферу Земли и как они могли сформировать атмосферы экзопланет.

«Мы встраиваем древнюю ДНК в современные геномы и перепрограммируем жуков, чтобы они вели себя так, как, по нашему мнению, они вели себя миллионы лет назад. Родопсин — отличный кандидат для лабораторных исследований путешествий во времени», — Какар. сказал.

Некоторые свидетельства ранней жизни Земли и атмосферы скрыты от нас. Но метод команды позволяет преодолеть некоторые препятствия в поисках этих доказательств. Кто знает, к чему это нас приведет.

«Наше исследование впервые демонстрирует, что поведенческие истории ферментов поддаются эволюционной реконструкции так, как не поддаются обычные молекулярные биосигнатуры», – сказал Какар.

p>

Чем больше мы узнаем о ранней Земле, тем больше мы узнаем о других мирах. Если несколько планет поддерживают жизнь, каждая из них, вероятно, пошла своим путем на пути к жизни. Но будут параллели в химии и физике за этим. И так же, как здесь, на Земле, взаимодействие между жизнью и окружающей средой должно формировать историю других миров.

«Совместная эволюция окружающей среды и жизни в начале истории Земли служит моделью для предсказания универсальные обнаруживаемые биосигнатуры, которые могут быть созданы на планете, где преобладают микробы, за пределами нашей Солнечной системы», — пишут авторы в своей статье.

«Ранняя Земля — это инопланетная среда по сравнению с нашим сегодняшним миром. Понимание того, как здешние организмы менялись со временем и в разных средах, научит нас важным вещам о том, как искать и распознавать жизнь в других местах». сказал Швитерман.

Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочтите исходную статью.