Анализируя текущее состояние знаний в таких областях, как микробиология, молекулярная биология и геология, в исследовании рассматривается, как микроорганизмы формировались под влиянием химических свойств океанов, суши и атмосферы нашей планеты. В исследовании объединены данные из нескольких областей исследований и обсуждается, почему информацию о сложной истории жизни на нашей планете из одной области нельзя рассматривать изолированно.
Первая жизнь на Земле была микробной. Сегодня подавляющее большинство биомассы нашей планеты по-прежнему состоит из крошечных одноклеточных микроорганизмов. Несмотря на их изобилие, история микробов может стать проблемой для изучения астробиологами. Микробы не оставляют после себя костей, раковин или других крупных окаменелостей, таких как динозавры, рыбы или другие крупные организмы. В связи с этим ученые должны изучить различные свидетельства, чтобы понять эволюцию микробной жизни с течением времени.
Чтобы изучить древние микробы на Земле, астробиологи ищут изотопные отпечатки в горных породах, которые могут быть использованы для идентификации метаболизма древних сообществ. Метаболизм относится к преобразованию пищи в энергию и происходит у всех живых существ. Многие элементы (например, углерод (C), азот (N), сера (S), железо (Fe)) участвуют в микробном метаболизме. По мере того, как микробы перерабатывают эти элементы, они вызывают изотопные изменения, которые ученые могут обнаружить в составе горных пород. Микробы также помогают контролировать отложение и круговорот этих элементов в окружающей среде, влияя на геологию и химию как на местном, так и на глобальном уровнях (рассмотрим роль микробов в круговороте углерода на Земле сегодня).
Еще один способ изучить древнюю микробную жизнь - обратиться к эволюционной информации, содержащейся в современной генетике жизни. Объединение этой генетической информации из молекулярной биологии с геобиологической информацией из записей горных пород может помочь астробиологам понять связи между общей эволюцией ранней Земли и ранней жизнью.
В качестве примера геологических свидетельств микробного метаболизма мы можем рассмотреть образование железистых пластов (BIFs) на древнем морском дне. Эти разноцветные слои чередующихся отложений, богатых железом и кремнием, образовались от 3,8 до 1,8 миллиарда лет назад и связаны с одними из древнейших скальных образований на Земле. Красный цвет, который они демонстрируют, объясняется высоким содержанием в них железа, показывая нам, что океан Земли был богат железом в течение 2 миллиардов лет, в течение которых формировались эти породы.
В новом исследовании команда исследователей представляет обзор современных знаний, собирая информацию о ранних процессах метаболизма, используемых микробной жизнью, о сроках развития этих процессов метаболизма и о том, как эти процессы связаны с основными химическими и физическими изменениями на Земле, такими как насыщение океанов и атмосферы кислородом.
Со временем распространенность кислорода на Земле резко менялась в океане, атмосфере и на суше. Эти изменения повлияли как на эволюцию биосферы, так и на окружающую среду. Например, по мере того, как активность фотосинтезирующих организмов повышала уровень кислорода в атмосфере, создавая новые условия для обитания микробной жизни. Для жизни стали доступны различные питательные вещества, которые стимулировали рост. В то же время микробы, которые не могли выжить в присутствии кислорода, должны были адаптироваться, погибнуть или найти способ выжить в средах, где кислород не сохраняется, например, глубоко в недрах Земли.
Новое исследование объясняет наше понимание того, как уровни кислорода менялись во времени и пространственных масштабах. Авторы сопоставляют различные типы микробного метаболизма, такие как фотосинтез, с этой историей, чтобы лучше понять “причинно-следственную связь” между кислородом и эволюцией жизни на Земле. В документе представлен важный контекст для крупных изменений в ходе эволюции биосферы и планеты.
Благодаря тщательному рассмотрению истории различных типов микробного метаболизма на Земле, обзорный документ показывает, как биогеохимические циклы на нашей планете неразрывно связаны во времени как в локальном, так и в глобальном масштабах. Авторы также обсуждают значительные пробелы в наших знаниях, которые ограничивают интерпретации. Например, мы не знаем, насколько большой была молодая биосфера на Земле, что ограничивает нашу способность оценивать глобальные последствия различных процессов метаболизма в первые годы существования Земли. Аналогичным образом, используя генетическую информацию для изучения древа жизни, ученые могут оценить, когда впервые появились определенные гены (и, следовательно, какие типы метаболизма могли использоваться в то время в живых клетках). Однако эволюция нового типа метаболизма в определенный исторический момент не обязательно означает, что этот метаболизм был обычным явлением или оказал достаточно большое влияние на окружающую среду, чтобы оставить свидетельства в летописи горных пород.
По словам авторов, “История микробной жизни шла в ногу с историей океанов, суши и атмосферы, и наше понимание остается ограниченным тем, как много мы все еще не знаем об окружающей среде ранней Земли”.
Исследование также имеет более широкие последствия для поиска жизни за пределами Земли. Понимание коэволюции жизни и окружающей среды может помочь ученым лучше понять условия, необходимые для того, чтобы планета была пригодна для жизни. Взаимосвязи между жизнью и окружающей средой также дают важные подсказки при поиске биосигнальных газов в атмосферах планет, вращающихся вокруг далеких звезд.
Источник: НАСА
На изображении:
Художественная интерпретация туманной атмосферы архейской Земли - бледно-оранжевая точка.
Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Фрэнсис Редди
Дополнительные материалы
