Древние светозахватывающие белки, на которые мы полагаемся, чтобы видеть, могут помочь нам найти инопланетную жизнь

Обнаружим ли мы где-нибудь простую жизнь? Может быть, на Энцеладе или Европе в нашей Солнечной системе или еще дальше - на экзопланете?

По мере того как мы становимся все более опытными в исследовании нашей Солнечной системы и изучении экзопланет, перспектива обнаружения простой жизни выходит из творческой сферы научной фантастики и переходит в область конкретного планирования миссий.

По мере того, как приближается обнадеживающий день открытия, самое время задаться вопросом: как может выглядеть эта потенциальная жизнь?

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде изучила древнюю Землю и некоторых ее первых обитателей, чтобы пролить свет на то, как может выглядеть простая жизнь на других планетах и на что может быть похожа их атмосфера.

Сейчас Земля значительно отличается от того времени, когда на ней существовала только простая жизнь. Великое событие насыщения кислородом (GOE) навсегда изменило Землю и направило ее на путь превращения в планету, которой она является сегодня, с богатой кислородом атмосферой и сложной жизнью. До ГОЭ атмосфера Земли была совсем другой, и жизнь была движущей силой этих изменений. Эта краткая история иллюстрирует важный факт: жизнь и окружающая среда взаимосвязаны.

Первые формы жизни на Земле жили в сравнительно бедной энергией среде, в атмосфере, бедной кислородом.

Солнечный свет был единственным легкодоступным источником энергии, и задолго до развития фотосинтеза формы жизни использовали солнечный свет по-другому.

Они использовали белки, названные родопсинами, для улавливания солнечной энергии, и эти белки были более простым способом использования энергии Солнца, чем более сложный фотосинтез.

"На ранней Земле энергия могла быть очень дефицитной. Бактерии и археи придумали, как использовать обильную энергию Солнца без сложных биомолекул, необходимых для фотосинтеза", - сказал в пресс-релизе астробиолог Эдвард Швитерман из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Швитерман является соавтором нового исследования, опубликованного в журнале Molecular Biology and Evolution. Исследование называется "Самые ранние ниши фотической зоны, исследованные древнейшими микробными родопсинами", а руководителем исследования является Бетул Качар, астробиолог из Университета Висконсин-Мэдисон.

Доказательством полезности родопсинов является то, что они не исчезли вместе с ранними формами жизни, которые их породили. Сегодня они широко распространены в организмах, включая нас. Они присутствуют в палочках сетчатки наших глаз, где отвечают за зрение при слабом освещении. Они также встречаются в современной, простой жизни в таких местах, как соленые пруды.

Их присутствие в современной жизни обеспечивает связь с эволюционной историей родопсинов. Исследователи изучают эту связь с помощью машинного обучения и секвенирования белков. Используя эти инструменты, исследователи могут проследить эволюцию белков в геологических временных масштабах.

Оглядываясь на жизнь и атмосферу Земли в настоящее время, нельзя сказать, что поиск жизни на других мирах является хорошим показателем. Наша современная атмосфера богата кислородом, но атмосфера ранней Земли, согласно некоторым исследованиям, могла быть больше похожа на атмосферу Венеры.

Проследив эволюцию родопсинов, авторы новой работы составили родословное древо этих белков. Они смогли реконструировать родопсины в период от 2,5 до 4 миллиардов лет назад.

Большая часть наших поисков жизни сосредоточена на атмосферах планет. Конкретные атмосферные молекулы могут быть биомаркерами, но чтобы узнать, какие из них могут сигнализировать о присутствии простой, ранней жизни, нам необходимо детально знать, какой была ранняя атмосфера Земли, когда на планете появилась простая жизнь.

"Расшифровка сложных взаимоотношений между жизнью и средой, в которой она обитает, имеет центральное значение для реконструкции факторов, определяющих обитаемость планеты в геологическом масштабе времени", - пишут авторы в начале своей работы, и это создает основу для представленных ими результатов.

Жизнь, как мы ее знаем, является выражением условий на нашей планете в той же степени, что и сама жизнь". Мы воскресили древние последовательности ДНК одной молекулы, и это позволило нам установить связь с биологией и окружающей средой прошлого", - сказал руководитель исследования Какар.

Исследование команды параллельно с генеалогическим тестированием, доступным нам сегодня. Мы можем сдать свою ДНК и узнать много нового о том, откуда мы родом". Интенсивная работа команды - это гораздо более глубокое погружение, чем это, но сравнение полезно.

"Это все равно что взять ДНК многих внуков, чтобы воспроизвести ДНК их бабушек и дедушек. Только это не бабушки и дедушки, а крошечные существа, которые жили миллиарды лет назад по всему миру", - сказал Швитерман. 

Исследователи обнаружили различия между древними и современными родопсинами в поглощаемом ими свете. Согласно генетическим реконструкциям, древние родопсины поглощали преимущественно синий и зеленый свет, в то время как современные родопсины поглощают синий, зеленый, желтый и оранжевый свет. Это является ключом к разгадке экологических различий между древней и современной Землей.

Мы знаем, что древняя Земля не имела озонового слоя до ГОЭ, который произошел примерно 2-2,4 миллиарда лет назад.

Озоновый слой не может существовать без свободного кислорода в атмосфере, а без озонового слоя жизнь на Земле подвергалась гораздо большему воздействию ультрафиолетового излучения, чем сейчас.

В настоящее время озоновый слой Земли поглощает от 97 до 99 процентов ультрафиолета Солнца.

Исследователи считают, что способность древних родопсинов поглощать синий и зеленый свет, а не желтый и оранжевый, означает, что живые организмы, которые полагались на них, жили на глубине нескольких метров в толще воды. Толща воды над организмами защищала их от жесткого ультрафиолетового излучения на поверхности воды.

После ГОЭ озоновый слой обеспечил защиту от ультрафиолетового излучения Солнца, и жизнь развила более современные родопсины, способные поглощать больше света. Так, современные родопсины могут поглощать желтый и оранжевый свет наряду с синим и зеленым.

Современные родопсины могут поглощать свет, который не могут поглощать фотосинтетические хлорофилловые пигменты. Поражает эволюционная элегантность: современные родопсины и фотосинтез дополняют друг друга, поглощая разный свет, хотя это несвязанные и независимые механизмы. Эти взаимодополняющие отношения представляют собой некоторую загадку в эволюции.

"Это говорит о коэволюции, когда одна группа организмов использует свет, не поглощаемый другой", - сказал Швитерман. "Это могло произойти потому, что родопсины развились первыми и отсеяли зеленый свет, поэтому хлорофиллы позже развились для поглощения остального. Или это могло произойти наоборот".

Многие ключи к разгадке природы ранней жизни на Земле содержатся в геологии. Ученые регулярно изучают древние породы, чтобы понять, как выживала и развивалась ранняя жизнь.

Они также изучают поведение Солнца и то, сколько его энергии достигло поверхности планеты, как менялась Земля с течением времени. Но теперь у них появился еще один инструмент.

"Информация, закодированная в самой жизни, может дать новое понимание того, как наша планета сохраняла пригодность для обитания в тех случаях, когда геологические и звездные выводы оказываются недостаточными", - объясняют авторы в своей работе.

В древней жизни родопсины действовали как протонный насос. Протонный насос создает градиент энергии в живой форме. Это отличается от фотосинтеза, который производит химическую энергию, необходимую организму для выживания. Протонный насос и градиент энергии создают разность электрохимических потенциалов через клеточную мембрану. Это похоже на аккумулятор, потому что градиент создает энергию для последующего использования.

Но нам, как людям, интересующимся наукой, не нужно точно знать, как они работают. Мы можем понять, как они могут помочь нам определить атмосферу экзопланет, похожую на атмосферу примитивной Земли, и простую жизнь, которая там процветала.

Команда говорит, что они могут использовать информацию, закодированную в биомолекулах, для понимания ниш, в которых выживала древняя жизнь, не представленная нигде в нашей палеонтологической летописи. Они называют их палеосенсорами.

Исследователи говорят, что поскольку "...функциональная диверсификация и спектральная настройка этого таксономически разнообразного семейства белков..." связаны между собой, родопсины являются отличным лабораторным стендом для выявления дистанционно обнаруживаемых биосигнатур на экзопланетах.

И они еще не закончили.

Они намерены использовать методы синтетической биологии, чтобы понять древние родопсины, как они помогли сформировать древнюю атмосферу Земли и как они могут сформировать атмосферу экзопланет.

"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.

Некоторые свидетельства ранней жизни и атмосферы Земли скрыты от нас. Но метод команды преодолевает некоторые препятствия в наших поисках этих доказательств. Кто знает, куда это нас приведет.

"Наше исследование впервые демонстрирует, что поведенческая история ферментов поддается эволюционной реконструкции так, как не поддаются обычные молекулярные биосигнатуры", - сказал Какар.

Чем больше мы узнаем о ранней Земле, тем больше мы узнаем о других мирах. Если на нескольких планетах есть жизнь, то каждая из них, вероятно, прошла свой путь к появлению жизни. Но будут параллели в химии и физике, стоящей за этим. И так же, как и на Земле, взаимодействие между жизнью и окружающей средой должно определять историю других миров.

"Коэволюция окружающей среды и жизни на ранних этапах истории Земли служит моделью для прогнозирования универсальных, обнаруживаемых биосигнатур, которые могут возникнуть на планете с преобладанием микробов за пределами нашей Солнечной системы", - пишут авторы в своей статье.  

"Ранняя Земля - это чуждая среда по сравнению с нашим сегодняшним миром. Понимание того, как здешние организмы менялись со временем и в разных условиях, поможет нам узнать важные вещи о том, как искать и распознавать жизнь в других местах", - сказал Швитерман.