Zrozumienie wczesnego życia na Ziemi rośnie wykładniczo

Pomimo dziesięcioleci badań naukowcy nadal nie rozumieją wielu kwestii na temat początków życia i wczesnej ewolucji. Artykuł badawczy wydany przez Uniwersytet Kalifornijski w Riverside otworzył drzwi do lepszego zrozumienia i sformułowania przyszłych badań, które mogłyby pomóc w przewidywaniu zmian klimatycznych i poszukiwaniu życia pozaziemskiego.

„Ten artykuł ma na celu poinformowanie społeczności zajmującej się naukami o Ziemi o kolejnym kroku, jaki należy podjąć w badaniach” – powiedział Christopher Tino, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside podczas badań i pierwszy autor.

W wielu badaniach analizowano oznaki wczesnego życia zachowane w starożytnych skałach, ale to… papierWyniki badania, opublikowane niedawno w czasopiśmie Nature Reviews Microbiology, łączą te dane z badaniami genomicznymi współczesnych organizmów i najnowszymi odkryciami dotyczącymi ewolucji chemii oceanów, atmosfery i wczesnych kontynentów.

Artykuł pokazuje, jak powstały pierwsze formy życia na Ziemi – drobnoustroje, takie jak bakterie wytwarzające tlen i archeony wytwarzające metan – oraz jak kształtują je zmiany w oceanach, kontynentach i atmosferze.

„Kluczowym przesłaniem w tym wszystkim jest to, że nie można zobaczyć żadnej części zapisu w izolacji” – powiedział Timothy Lyons, wybitny profesor biogeochemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside i współautor. „To jeden z pierwszych takich przypadków badania z tych dziedzin zostały kompleksowo zebrane, aby przedstawić obszerną historię”.

Badania te, skupiające ekspertów w dziedzinie biologii, geologii, geochemii i genomiki, szczegółowo opisują podróż wczesnych form życia na Ziemi od ich pierwszego pojawienia się do momentu osiągnięcia przez nie znaczenia ekologicznego. Wraz ze wzrostem ich liczebności drobnoustroje zaczęły wpływać na otaczający je świat, na przykład rozpoczynając produkcję tlenu w procesie fotosyntezy.

Ustalenia w każdym obszarze „często są w niezwykły sposób zgodne” – mówi Tino, obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Calgary.

W szczególności badanie śledzi, w jaki sposób życie mikrobiologiczne pochłaniało, przekształcało i rozprzestrzeniało na Ziemi niezbędne składniki odżywcze zawierające azot, żelazo, mangan, siarkę i metan. Te ścieżki biologiczne ewoluowały w miarę dramatycznych zmian powierzchni Ziemi, czasami z powodu pojawienia się nowego życia. Kontynenty rosły, słońce stawało się jaśniejsze, a świat stawał się bogatszy w tlen.

Ponieważ ewolucja nowych szlaków biologicznych wpłynęła na cykle pierwiastków, ich ścieżki mówią nam, kiedy pojawiły się wczesne formy życia, jak wpływały na środowisko i na nie reagowały, a także kiedy rozwinęły oznaki ekologiczne w skali globalnej.

W skałach liczących miliardy lat często brakuje widocznych skamieniałości potrzebnych do opowiedzenia całej historii, ale w tym badaniu połączono chemię tych skał z genomami żyjących krewnych, tworząc kompleksowy obraz starożytnego życia.

„Zasadniczo opisujemy pierwsze próby zbliżenia Ziemi z drobnoustrojami zdolnymi do zmiany globalnego środowiska” – powiedział Lyons, który jest także dyrektorem Centrum Astrobiologii Ziemi Alternatywnej na Wydziale Nauk o Ziemi i Planetach. „Musimy zrozumieć pełny obraz, abyśmy mogli zrozumieć, kto, co, kiedy i gdzie, kiedy drobnoustroje ewoluowały od zwykłego istnienia do wywierania znaczącego wpływu na środowisko”.

Wielu naukowców postawiło hipotezę, że forma życia, która pojawiła się kiedyś na Ziemi, szybko stała się płodna. Tylko łącząc dziesięciolecia badań w różnych dyscyplinach, jak to zrobili Lyons, Tino i ich współpracownicy w tym artykule, naukowcy mogą dostrzec różnicę między samą obecnością lub dominacją niektórych drobnoustrojów. Często droga drobnoustrojów od istnienia do sławy trwała setki milionów lat.

„Mikrobia, którym początkowo udało się zadomowić w zamkniętych przestrzeniach, staną się później głównymi organizmami w regionie” – powiedział Lyons.

Wszystko to prowadzi do podstawowego pytania, które nie daje spać zespołowi UCR: Skąd pochodzimy?

Jednak odpowiedzi uzyskane w wyniku tych badań mają również bardziej praktyczne zastosowania, w tym wiedzę na temat reakcji życia i środowiska na zmiany klimatyczne, zarówno w bliższej, jak i odległej przyszłości.

Badanie to może także pomóc w poszukiwaniu życia na innych planetach. „Jeśli mamy znaleźć dowody na istnienie życia pozaziemskiego, najprawdopodobniej będziemy je opierać na procesach i produktach mikroorganizmów, takich jak metan i tlen” – mówi Tino.

„Naszą motywacją jest służenie NASA w jej misji, w szczególności pomoc w zrozumieniu, w jaki sposób egzoplanety mogą podtrzymywać życie” – zauważył Lyons.

Do Lyonsa i Tino dołączył w tym wysiłku Gregory B. Fournier z MIT; i Rica E. Anderson z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i Carleton College; I Williama D. Levatt z Dartmouth College; I Kurta O. Kunhauser z Uniwersytetu Alberty; i Ewa E. Stockena z Uniwersytetu Waszyngtońskiego i Uniwersytetu St. Andrews.