Біосфера була насичена атмосферним азотом 3,2 мільярда років тому

Біосфера була насичена атмосферним азотом 3,2 мільярда років тому

16 лютого 2015 року на сайті журналу Nature була опублікована стаття, яка описує нові дані про походження ключового для розвитку життя на Землі ферменту — нітрогенази. Результати роботи коментує один з авторів дослідження, PhD Єва Стюекен з Вашингтонського університету.

Що сталось

Азот — один з основних елементів життя на Землі, оскільки це важливий компонент ДНК і білків. В основному азот в повітрі представлений газом N2, проте більшість організмів не мають доступу до цієї форми азоту. Люди, наприклад, змушені отримувати весь необхідний азот з органічних сполук у їжі. Проте на споді харчового ланцюжка бактерії навчились переробляти газ N2 на органічний азот. Цей процес називається азотфіксацією, яка в основному і постачає біосферу Землі, включаючи нас, життєво важливими азотними сполуками.

Щоб здійснити азотфіксацію, ці бактерії повинні виробляти спеціальний фермент, нітрогеназу, яка розкладає N2 на амоній. У попередніх дослідженнях вчені намагались відновити генетичну історію або генеалогію нітрогенази і дійшли висновку, що цей фермент з'явився десь між 1,5 і 2,2 мільярдами років тому.

Цей висновок становить проблему, оскільки у нас є достовірні докази того, що життя на Землі існує принаймні 3,5 мільярда років. Це означає, що якщо нітрогеназа виникла в результаті еволюції тільки 2,2 мільярда років тому, то протягом періоду, який перевищує мільярд років, організми були змушені покладатись на абіотичні джерела придатного для метаболізму азоту на кшталт блискавки або вулканізму, коли невеликі кількості N2 перетворювались на нітрат або амоній. Таким чином, біосфера могла бути дуже обмеженою.

В нашому дослідженні ми спробували вирішити цю головоломку, вивчивши співвідношення ізотопів азоту в древньому камінні. Азот має два ізотопи — 15N і 14N, і в багатьох хімічних реакціях легший ізотоп вступає в реакцію швидше, ніж важчий. Це називається фракціонуванням ізотопів.

Втім, в ході біологічної азотфіксації це фракціонування характерно мале. З цієї причини в біосфері, де більшість організмів отримують азот за допомогою нітрогенази, співвідношення 15N до 14N в біомасі не відрізняються від того, що спостерігається в газі N2 в повітрі. Це стало відомо вже давно, і цей факт повсюдно використовується вченими, які займаються дослідженнями сучасного або давнього навколишнього середовища.

Новизна нашої роботи полягає в тому, що ми підібрали одні з найдавніших добре збережених каменів на Землі, щоб обчислити співвідношення 15N до 14N в стародавній органіці, і отримали вагомий доказ біологічної азотфіксації, здійсненої 3,2 мільярда років тому. Це означає, що фермент нітрогеназа куди більш «старий», ніж вважалось раніше, і що біосфера ранньої Землі не страждала від «азотної кризи». Можна навіть припустити, що нітрогеназа з'явилась еволюційним шляхом відразу після виникнення життя і що, можливо, умови для розвитку цього ферменту існують і на інших планетах.

Передісторія

Добре збережені стародавні камені важко знайти, оскільки тектонічна деформація і вплив атмосфери здатні знищити первинні ознаки життя. Нам пощастило, що конкретно ці камені, які ми аналізували, були добуті дослідницькими компаніями, які в комерційних цілях шукали поклади мінералів під землею. Це дало нам доступ до зразків стародавніх кам'яних відкладень, які все ще містять трохи органіки з організмів, які жили під час формування цих відкладень.

Спочатку ми отримали ці зразки для іншого проекту, намагаючись знайти інші сліди життя, але скоро ми зрозуміли, що вони надали нам унікальну можливість вивчити еволюційну історію кругообігу біологічного азоту. Наша лабораторія була зацікавлена в метаболізмі азоту протягом тривалого часу, проте раніше в своїх дослідженнях ми фокусувались на взаємодії азоту і кисню в більш пізніх морських відкладеннях. Вважається, що кисень став відігравати важливу роль у кругообізі азоту 2,5 мільярда років тому. Тому нашим початковим планом було перевірити, чи дійсно там відсутні ознаки кисню, які датуються більш ранніми періодами. Те, що ми знайшли, дійсно виявилось ознакою безкисневого світу, проте такого світу, де фермент нітрогеназа вже еволюціонував.

Перспективи

Ми сподіваємось, що наше дослідження надихне інших вчених і фондові агентства дістатись ще більш старого каміння, тобто застосувати цей підхід до зразків із ще більш далекого минулого. По-друге, наше нове обмеження за віком виникнення нітрогенази до 3,2 мільярдів років виявиться корисним генетикам і допоможе реконструювати виникнення цього та інших ферментів з більшою точністю. Також, якщо джерело азоту в біосфері існувало на ранньому етапі розвитку життя, наступним кроком буде пошук циклів інших поживних речовин, які могли стримувати розвиток біосфери на ранній Землі чи деінде.

X

Вхід

Завантажую...