Дышащие кислородом формы жизни появились на Земле намного раньше, чем считалось 

Фото из открытых источников

Восстановленный фермент из глубокого прошлого Земли сохранил тот же химический состав, что и в древних породах, подтверждая, что ключевой признак жизни оставался стабильным на протяжении миллиардов лет.

Эта преемственность меняет подход ученых к изучению ранней истории планеты и укрепляет один из немногих доступных инструментов для распознавания жизни за пределами Земли.

Внутри живых микробов это открытие проявляется в поведении нитрогеназы — фермента, который позволяет организмам превращать атмосферный азот в биологическое топливо.

Реконструировав древние версии этого фермента и наблюдая за их функционированием в клетках, Бетюль Качар с коллегами из Университета Висконсина в Мэдисоне (UW-Madison) продемонстрировали, что изотопный след, связанный с фиксацией азота, совпадает с данными, зафиксированными в первобытных отложениях. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Этот результат остается в силе, даже несмотря на то, что генетическая последовательность и функциональные возможности фермента менялись на протяжении глубокого времени, отвечая на давний вопрос о том, может ли современная химия вводить в заблуждение при интерпретации ранних форм жизни.

Это ограничение устанавливает четкие границы того, что изотопы азота могут и не могут показать, открывая путь к более детальному изучению того, почему этот молекулярный сигнал сохранился, в то время как другие признаки эволюционировали.

Для построения белков и генетического материала живым организмам необходим азот, но большинство организмов не могут использовать этот газ, находящийся в воздухе.

Некоторые микроорганизмы решают эту проблему путем фиксации азота, превращая газообразный азот в аммиак, который могут поглощать клетки.

Азотогеназа осуществляет это преобразование, и урожай зависит от бактерий-партнеров, которые живут вокруг корней или переносятся водой.

Когда нитрогеназа перестаёт работать, экосистемы замедляют свою деятельность, что объясняет, почему информация о её древнем поведении имеет такое большое значение.

В горных породах возрастом около 3,2 миллиарда лет изотопы азота — формы элемента с различным числом нейтронов — указывают на ранние биологические процессы.

Ученые сравнивают соотношение тяжелого и легкого азота в этих породах, поскольку в биологических процессах обычно предпочтение отдается одной форме азота по сравнению с другой. Этот узор служит биосигнатурой, измеримым признаком присутствия живых организмов, даже если окаменелости так и не образовались.

Но весь подход основан на одном предположении: древние ферменты должны были оставлять тот же изотопный след, что и современные.

Вместо того чтобы ждать редких ископаемых, исследователи создали древние гены с нуля и внедрили их в современную бактерию. Этот подход использует синтетическую биологию, создавая и переписывая гены, чтобы наделить клетки новыми функциями, воссоздать белки, которых больше не существует.

Команда выбрала микроорганизм Azotobacter vinelandii, потому что он уже способен фиксировать азот и лучше переносит кислород, чем многие другие виды. Заменив собственные ферментные компоненты на реконструированные, бактерии были вынуждены полагаться на эти древние инструкции для своего роста.

После того как генетически модифицированные микроорганизмы фиксировали азот, команда измерила, сколько тяжелого азота оказалось в клеточном материале. У ферментов, разделенных более чем двумя миллиардами лет эволюции, химический сигнал оставался тесно сгруппированным, а не менялся со временем.

Эта закономерность соответствует тому, что ученые наблюдают в современных живых азотфиксирующих микробах, что укрепляет уверенность в том, что тот же сигнал в древних породах отражает реальную биологическую активность, а не более поздние искажения.

Теперь команда наконец-то может рассматривать данные об изотопах азота как стабильные на протяжении длительного времени, а не как постоянно меняющуюся величину.

Восстановленные ферменты вели себя не совсем так, как современные, хотя микробы по-прежнему выживали, питаясь исключительно азотом.

В лабораторных тестах некоторые древние версии демонстрировали более низкую скорость реакции, что показало, что белковый механизм изменился, сохранив при этом основные химические свойства. Однако изотопный состав оставался привязанным к одному и тому же этапу реакции, поэтому мутации не переписывали сигнал.

Это разделение, изменение скорости, но неизменная характеристика, указывают на то, что эволюция настроила характеристики, не затрагивая ту часть, которую измеряют геологи.

Благодаря стабильному характеру изотопного состава, геологи могут с большей уверенностью определять изотопы азота при изучении самых древних отложений.

Это имело наибольшее значение до Великого окислительного события — длительного повышения уровня кислорода в воздухе, когда микробы господствовали без него. В те времена углекислый газ и метан занимали большую часть атмосферы, а азотфиксирующие микроорганизмы помогали поддерживать функционирование экосистем.

Если эти микробы всегда оставляли один и тот же изотопный след, исследователи смогут более четко отделить истинные биологические сигналы от последующих химических реакций.

НАСА интересуется стабильными биосигнатурами, потому что марсоходам и посадочным аппаратам необходимы химические объекты, которые сохраняют свою активность на протяжении миллиардов лет.

Земля образовалась около 4,54 миллиарда лет назад, и Геологическая служба США показывает, как ученые определили эту цифру.

«Как астробиологи, мы полагаемся на понимание нашей планеты, чтобы понять жизнь во Вселенной», — говорит Качар.

Реконструированные ферменты происходят из одной ветви истории нитрогеназы, поэтому они не могут представлять каждый древний микроб.

Лабораторные условия также остаются контролируемыми, а это значит, что изменения температуры, химического состава океана и давления по сравнению с ранней Землей все еще нуждаются в исследованиях.

Касар хочет выяснить, почему контроль изотопов оставался неизменным, даже когда другие части фермента продолжали эволюционировать. Ответ на этот вопрос мог бы улучшить методы оценки необычных химических процессов на Марсе в рамках миссий НАСА, а также предостеречь от чрезмерной интерпретации какого-либо отдельного сигнала.

Восстановленные данные об ферментах связывают лабораторную биологию с данными по горным породам, показывая, что одна ключевая реакция сохранила неизменный характер.

В будущих экспериментах этот подход можно будет распространить и на другие ферменты, но будущим исследовательским группам все еще потребуется много подсказок, прежде чем они смогут назвать что-либо живым.