Древние белки, улавливающие свет, могут помочь найти инопланетную жизнь

189

Обнаружим ли мы где-нибудь простую жизнь? Может быть, на спутниках планет-гигантов — Энцеладе или на Европе в нашей Солнечной системе или в другой планетной системе на далекой экзопланете?

По мере того, как мы становимся более опытными в изучении нашей Солнечной системы и изучении экзопланет, перспектива найти какую-то простую жизнь переходит из творческой области научной фантастики в конкретное планирование космической миссии.

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

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 таких миров.

Земля сейчас сильно отличается от той, когда на ней была только простая жизнь. Великое кислородное событие (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 обитали в сравнительно бедной энергией среде, в бедной кислородом атмосфере.

Солнечный свет был единственной доступной энергией, и задолго до появления фотосинтеза формы жизни использовали солнечный свет по-разному.

Они использовали белки, названные родопсинами, для улавливания 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 астробиолог Эдвард Швитерман.

Доказательством своей полезности является то, что родопсины не исчезли с ранними формами жизни, которые их породили. 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 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, ученые могут отследить эволюцию белков в геологических временных масштабах.

Взгляд на жизнь и атмосферу Земли в настоящее время не является хорошим показателем того, как искать жизнь в других мирах. Наша нынешняя атмосфера богата кислородом, но, согласно некоторым исследованиям, атмосфера ранней Земли могла быть больше похожа на атмосферу Венеры.

Отслеживая эволюцию родопсинов, авторы нового исследования построили генеалогическое древо белков. Им удалось реконструировать родопсины от 2,5 до 4 миллиардов лет назад.

Большая часть поисков жизни сосредоточена на планетарных атмосферах. Конкретные атмосферные молекулы могут быть биомаркерами, но чтобы знать, какие из них могут сигнализировать о наличии простой ранней жизни, 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 центральное значение для реконструкции факторов, определяющих планетарную обитаемость 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 такой же степени, как и самой жизни. Мы воскресили древние последовательности ДНК одной молекулы, и это позволило нам установить связь с биологией и окружающей средой прошлого», — говорят ученые.

«Это все равно, что взять ДНК многих внуков, чтобы воспроизвести ДНК их бабушек и дедушек. Только это не бабушки и дедушки, а крошечные существа, которые жили миллиарды лет назад по всему миру», — сказал Эдвард 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.

Ученые знают, что на древней Земле не было озонового слоя до GOE, 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 толще воды. Водяной столб над организмами защищал их от жесткого УФ-излучения на поверхности воды.

После GOE озоновый слой обеспечил защиту от солнечного УФ-излучения, и жизнь развила более современные родопсины, которые могут поглощать больше света. 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 своеобразную загадку эволюции.

«Это предполагает коэволюцию, когда одна группа организмов использует свет, не поглощаемый другой», — сказал Эдвард Швитерман . «Это могло быть связано с тем, что родопсины развились первыми и экранировали зеленый свет, поэтому позже развились хлорофиллы, чтобы поглотить остальное. 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 другой инструмент.

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

В древней жизни родопсины действовали как протонный насос. Протонный насос создает градиент энергии в форме жизни. Это происходит 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 как они могут помочь идентифицировать экзопланетные атмосферы, похожие на атмосферу примитивной Земли, и простую жизнь, которая там процветала.

Команда ученых говорит, что они могут использовать информацию, закодированную в биомолекулах, чтобы понять ниши, где сохранилась древняя жизнь, которых нет нигде в наших палеонтологических записях. 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 экзопланетах.

Ученые намерены использовать методы синтетической биологии, чтобы понять древние родопсины, то, 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».

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

«Наше исследование впервые демонстрирует, что поведенческие истории ферментов поддаются эволюционной реконструкции способами, в отличие от обычных молекулярных биосигнатур», — говорят ученые.

Чем больше мы узнаем о ранней Земле, тем больше мы узнаем о других мирах. Если несколько планет поддерживают жизнь, каждая из них, вероятно, шла своим путем к возникновению 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 универсальных обнаруживаемых биосигнатур, которые могут быть созданы на планете, где доминируют 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 организмы здесь менялись со временем и в разных средах, научит нас важным вещам о том, как искать и распознавать жизнь в другом месте».

Исследование было опубликовано в Molecular Biology and Evolution.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии