Три с половиной миллиарда лет назад на Земле была жизнь, но она едва выживала или процветала? Новое исследование, проведенное многопрофильной группой под руководством Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института (Tokyo Tech), дает новые ответы на этот вопрос. Метаболизм микробов зафиксирован в соотношениях изотопов серы за миллиарды лет, что согласуется с предсказаниями этого исследования, предполагающими, что жизнь процветала в древних океанах. Используя эти данные, ученые могут более тесно связать геохимические данные с клеточными состояниями и экологией.
Ученые хотят знать, как долго существует жизнь на Земле. Если он существует почти столько же, сколько и планета, это говорит о том, что жизнь зародилась легко, и жизнь должна быть обычным явлением во Вселенной. Если для его возникновения требуется много времени, это говорит о том, что должны были возникнуть особые условия. Динозаврам, кости которых представлены в музеях мира, на миллиарды лет предшествовали микробы. Хотя микробы оставили некоторые физические доказательства своего присутствия в древних геологических летописях, они плохо окаменели, поэтому ученые используют другие методы, чтобы понять, присутствовала ли жизнь в геологических летописях.
В настоящее время самые древние свидетельства существования микробной жизни на Земле доходят до нас в виде стабильных изотопов. Химические элементы, указанные в периодической таблице, определяются количеством протонов в их ядрах, например, атомы водорода имеют один протон, атомы гелия имеют два, атомы углерода содержат шесть. В дополнение к протонам большинство атомных ядер также содержат нейтроны, которые примерно так же тяжелы, как протоны, но не несут электрического заряда. Атомы, содержащие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Хотя многие изотопы радиоактивны и, таким образом, распадаются на другие элементы, некоторые не вступают в такие реакции; они известны как «стабильные» изотопы. Например, стабильные изотопы углерода включают углерод 12 (сокращенно 12C, с 6 протонами и 6 нейтронами) и углерод 13 (13C, с 6 протонами и 7 нейтронами).
Все живые существа, включая людей, «едят и выделяют». То есть они принимают пищу и выделяют отходы. Микробы часто питаются простыми соединениями, доступными в окружающей среде. Например, некоторые могут использовать углекислый газ (CO2) в качестве источника углерода для построения собственных клеток. Встречающийся в природе CO2 имеет довольно постоянное соотношение 12C к 13C. Однако 12CO2 примерно на 2 % легче, чем 13CO2, поэтому молекулы 12CO2 диффундируют и реагируют немного быстрее, и, таким образом, сами микробы становятся «изотопно легкими», содержащими больше 12С, чем 13С, и когда они умирают и оставляют свои останки в летописи окаменелостей, их стабильная изотопная сигнатура сохраняется и поддается измерению. Изотопный состав или «сигнатура» таких процессов может быть очень специфичным для микробов, которые их производят.
Кроме углерода есть и другие химические элементы, необходимые для живых существ. Например, сера с 16 протонами имеет три природных распространенных стабильных изотопа: 32S (с 16 нейтронами), 33S (с 17 нейтронами) и 34S (с 18 нейтронами). Таким образом, образцы изотопов серы, оставленные микробами, отражают историю биологического метаболизма на основе серосодержащих соединений примерно 3,5 миллиарда лет назад. В сотнях предыдущих исследований изучались широкие различия в соотношениях изотопов серы в древности и современности, возникающие в результате метаболизма сульфата (природного соединения серы, связанного с четырьмя атомами кислорода). Многие микробы способны использовать сульфат в качестве топлива и при этом выделять сульфид, еще одно соединение серы. Сульфидные «отходы» метаболизма древних микробов затем сохраняются в геологической летописи, и их изотопные отношения можно измерить путем анализа минералов, таких как пирит FeS2.
Это новое исследование раскрывает первичный этап биологического контроля микробного метаболизма серы и разъясняет, какие клеточные состояния приводят к каким типам фракционирования изотопов серы. Это позволяет ученым связать метаболизм с изотопами: зная, как метаболизм изменяет соотношение стабильных изотопов, ученые могут предсказать изотопные сигнатуры, которые организмы должны оставить после себя. Это исследование предоставляет часть первой информации о том, насколько активно метаболизировалась древняя жизнь. Метаболизм микробного сульфата регистрируется в течение более чем трех миллиардов лет соотношения изотопов серы, что соответствует прогнозам этого исследования, которые предполагают, что жизнь действительно процветала в древних океанах. Эта работа открывает новую область исследований, которую доцент ELSI Шон МакГлинн называет «эволюционной и изотопной энзимологией». Используя этот тип данных, ученые теперь могут перейти к другим элементам, таким как углерод и азот, и более полно связать геохимические данные с клеточными состояниями и экологией посредством понимания эволюции ферментов и истории Земли.