Используя улавливающие свет белки живых микробов, ученые реконструировали жизнь некоторых из самых ранних организмов Земли. Эти усилия могут помочь нам распознать признаки жизни на других планетах, чьи атмосферы могут больше напоминать нашу докислородную планету.
Самые ранние живые существа, в том числе бактерии и одноклеточные организмы, называемые археями, населяли преимущественно океаническую планету без озонового слоя, защищающего их от солнечного излучения. Эти микробы выработали родопсины — белки, способные превращать солнечный свет в энергию, используя их для питания клеточных процессов.
«На ранней Земле энергии могло быть очень мало. Бактерии и археи поняли, как использовать обильную солнечную энергию без сложных биомолекул, необходимых для фотосинтеза», — сказал астробиолог Калифорнийского университета в Риверсайде Эдвард Швитерман, который является соавтором исследования. описание исследования.
Родопсины связаны с палочками и колбочками в глазах человека, которые позволяют нам различать свет и темноту и видеть цвета. Они также широко распространены среди современных организмов и окружающей среды, таких как соленые пруды, которые представляют собой радугу ярких цветов.
Используя машинное обучение, исследовательская группа проанализировала последовательности белков родопсина со всего мира и отследила их эволюцию с течением времени. Затем они создали генеалогическое древо, которое позволило им реконструировать родопсины от 2,5 до 4 миллиардов лет назад и условия, с которыми они, вероятно, столкнулись.
Их выводы подробно изложены в статье, опубликованной в журнале Molecular Biology and Evolution .
«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», — сказал он. Астробиолог из Университета Висконсин-Мэдисон и руководитель исследования Бетул Какар.
«Это все равно, что взять ДНК многих внуков, чтобы воспроизвести ДНК их бабушек и дедушек. Только это не бабушки и дедушки, а крошечные существа, жившие миллиарды лет назад по всему миру», — сказал Швитерман.
Современные родопсины поглощают синий, зеленый, желтый и оранжевый свет и могут казаться розовыми, пурпурными или красными благодаря свету, который они не поглощают, или дополнительным пигментам. Однако, согласно реконструкции группы, древние родопсины были настроены на поглощение в основном синего и зеленого света.
Поскольку на древней Земле еще не было озонового слоя, исследовательская группа предполагает, что микробы возрастом в миллиарды лет жили на много метров в толще воды, чтобы защитить себя от интенсивного УФ-излучения на поверхности.Древние микробы могут помочь нам найти внеземные формы жизни
Синий и зеленый свет лучше всего проникают в воду, поэтому вполне вероятно, что самые ранние родопсины в первую очередь поглощали эти цвета. «Это может быть наилучшее сочетание экранирования и способности поглощать свет для получения энергии», — сказал Швитерман.
После Великого события окисления, произошедшего более 2 миллиардов лет назад, в атмосфере Земли стало увеличиваться количество кислорода. С дополнительным кислородом и озоном в атмосфере родопсины эволюционировали, чтобы поглощать дополнительные цвета света.
Сегодня родопсины способны поглощать цвета света, чего не могут пигменты хлорофилла в растениях. Хотя они представляют собой совершенно несвязанные и независимые механизмы улавливания света, они поглощают дополнительные области спектра.
«Это предполагает коэволюцию, когда одна группа организмов использует свет, не поглощаемый другой», — сказал Швитерман. «Это могло быть связано с тем, что родопсины развились первыми и отсеивали зеленый свет, поэтому позже развились хлорофиллы, чтобы поглотить остальное. Или все могло произойти наоборот».
Двигаясь вперед, команда надеется воскресить модели родопсинов в лаборатории, используя методы синтетической биологии.
«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», — сказал Какар.
В конечном счете, команда довольна возможностями для исследований, открытыми методами, которые они использовали для этого исследования. Поскольку другие признаки жизни из глубокого геологического прошлого нуждаются в физическом сохранении, а долговременному сохранению поддаются лишь некоторые молекулы, многие аспекты истории жизни были недоступны исследователям до сих пор.
«Наше исследование впервые демонстрирует, что поведенческие истории ферментов поддаются эволюционной реконструкции, чего не могут сделать обычные молекулярные биосигнатуры», — сказал Какар.
Команда также надеется использовать то, что они узнали о поведении ранних земных организмов, для поиска в небе признаков жизни на других планетах.
«Ранняя Земля — это инопланетная среда по сравнению с нашим сегодняшним миром. Понимание того, как организмы здесь изменились со временем и в разных средах, научит нас важным вещам о том, как искать и распознавать жизнь в другом месте», — сказал Швитерман.
