Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Natur

Hvor varme var oceanerne, da livet først udviklede sig?

Når dis opbyggede sig i atmosfæren på den arkeiske jord, den unge planet kunne have set ud som denne kunstners fortolkning - en lysorange prik. Kredit:NASAs Goddard Space Flight Center/Francis Reddy

Vi ved lidt om Jordens overfladetemperaturer i de første 4 milliarder år i dens historie. Dette udgør en begrænsning i forskning af livets oprindelse på Jorden og også, hvordan det også kan opstå i fjerne verdener.

Nu foreslår forskere, at de ved at genoplive gamle enzymer kunne estimere de temperaturer, hvor disse organismer sandsynligvis udviklede sig for milliarder af år siden. Forskerne offentliggjorde for nylig deres resultater i tidsskriftet, Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Vi har brug for en bedre forståelse af ikke kun hvordan livet først udviklede sig på Jorden, men hvordan livet og Jordens miljø co-udviklede sig over milliarder af års geologisk historie, "sagde hovedforfatter Amanda Garcia, en paleogeobiolog ved University of California, Los Angeles. "En lignende co-evolution ser ud til at være tilfældet for ethvert liv andre steder i universet."

Garcia og hendes kolleger fokuserede på historien om Jordens overfladetemperaturer. Klipper giver mange spor til at udlede temperaturer i løbet af de sidste 550 millioner år i fenerozoikum, når det er komplekst, det flercellede liv tog fart, herunder menneskers. Imidlertid, få sådanne "paleotermometre" eksisterer i den tidligere prækambriumske æra, spænder over Jordens dannelse for 4,6 milliarder år siden og livets stigning.

Tidligere geologiske beviser har antydet, at for 3,5 milliarder år siden, under den arkeiske Eon, oceanerne var 131º til 185º F (55º til 85º C). De afkølet dramatisk til de nuværende gennemsnitlige temperaturer på 59º F (15º C). Forskere foretog disse estimater ved at undersøge ilt- og siliciumisotoper i marine sten. Kvartsrige sten i havbunden, kendt som cherts, har højere niveauer af de tungere oxygen-18 og silicium-30 isotoper, når havvandet bliver koldere. I princippet, forholdet mellem tungere og lettere ilt og siliciumisotoper kan kaste lys over gamle temperaturer.

Billedet til venstre viser, hvordan Jorden kunne have set ud for mere end 3 milliarder år siden i den tidlige Archean. De orange former repræsenterer de magnesiumrige proto-kontinenter, før pladetektonik startede, selvom det er umuligt at bestemme deres præcise former og placeringer. Havet fremstår grønt på grund af en stor mængde jernioner i vandet på det tidspunkt. Tidslinjen sporer overgangen fra en magnesiumrig øvre kontinentale skorpe til en magnesiumfattig øvre kontinentale skorpe. Kredit:Ming Tang/University of Maryland

Men sådanne paleo-termometre tager ikke tilstrækkeligt hensyn til, hvordan disse klipper eller havet kan have ændret sig i løbet af milliarder af år. Måske varierede isotopforholdene i havvand over tid som reaktion på fysiske eller kemiske ændringer, såsom vand strømmer ud af landet eller fra hydrotermiske ventilationsåbninger.

I betragtning af usikkerheden, Garcia og hendes kolleger søgte en uafhængig måling af havvandstemperaturer i prækambrium, der fokuserer på biologiske molekylers adfærd. Forskerne undersøgte et enzym kendt som nukleosiddiphosphatkinase (NDK), som hjælper med at manipulere byggestenene i DNA og RNA, samt mange andre roller. Versioner af dette protein findes i stort set alle levende organismer, og var sandsynligvis også afgørende for mange uddøde organismer. Tidligere forskning fandt en sammenhæng mellem de optimale temperaturer for proteinstabilitet og en organisms vækst.

Ved at sammenligne de molekylære sekvenser af versioner af NDK i en række samtidige arter, forskere kan rekonstruere de versioner af NDK, der kunne have været til stede i deres fælles forfædre. Ved at syntetisere disse rekonstruktioner, forskere kan eksperimentelt teste disse "genopstandne" gamle proteiner for at finde den temperatur, der stabiliserer proteinet og heraf udlede den sandsynlige temperatur, der understøttede den gamle organisme.

Forskere vurderer, hvornår gamle enzymer kan have eksisteret ved at se på deres nærmeste levende slægtninge til deres værtsorganisme. Jo større forskelle i de genetiske sekvenser af disse slægtninge, jo længere tid deres sidste fælles slægtning sandsynligvis levede. Forskere bruger disse forskelle til at måle alderen på biomolekyler, såsom rekonstruktioner af NDK.

Tidligere forskning havde rekonstrueret gamle enzymer for at udlede tidligere temperaturer, men nogle af disse enzymer kan være kommet fra organismer, der levede i usædvanligt varme miljøer, såsom hydrotermiske udluftninger i dybhavet, som ikke ville være repræsentativ for det bredere hav. I stedet, Garcia og hendes kolleger søgte at rekonstruere NDK fra landplanter og fotosyntetiske bakterier, der lever i de øverste solbelyste dybder i oceaner, formodentlig langt væk fra kogende varme kilder.

Mikrobielle rev kaldet stromatolitter er eksempler på biologiske strukturer fundet for 3,7 milliarder år siden. Kredit:Pamela Reid, Ph.d., University of Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science

Deres forskning tyder på, at Jordens overflade afkølet fra cirka 167º F (75º C) for cirka 3 milliarder år siden til cirka 95º (35º F) for cirka 420 millioner år siden. Disse fund er i overensstemmelse med tidligere geologiske og enzymbaserede resultater.

Garcia sagde, at sådan en dramatisk afkøling er svær at forstå, understreger, hvordan forskere skal huske, hvordan forskellige forhold var tidligere, når de fandt ud af, hvordan livet udviklede sig over tid.

"Det kræver en stor indsats at forestille sig en verden, der ikke synes at passe med den sunde fornuft af vores nuværende jordforhold."

Fremtidig forskning kan rekonstruere versioner af NDK fra flere organismer, såvel som andre enzymer, give flere beviser til støtte for metoden. Sådan forskning kan hjælpe "med at løse store spørgsmål om livets tidlige udvikling og Jordens miljø, " hun sagde.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASA's Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.