Tidligt liv på Jorden begrænset af enzym

Enzymet-nitrogenase-kan spores tilbage til den universelle fælles forfader for alle celler for mere end fire milliarder år siden.

Findes kun i bakterier i dag, nitrogenase er ikke desto mindre afgørende for produktionen af ​​ilt fra vand i fotosyntesen, gør det medvirkende til, hvordan vandbakterier producerede Jordens første molekylære ilt for 2,5 milliarder år siden.

"I halvdelen af ​​Jordens 4,6 milliarder års eksistens, atmosfæren indeholdt kun kuldioxid og nitrogen, uden ilt, men dette ændrede sig, da cyanobakterier, også kendt som blågrønalger, begyndte at producere den første ilt ved hjælp af nitrogenase. Dette førte til den store oxidationsbegivenhed, "forklarede studieforfatter professor John Allen (UCL Genetics, Evolution og miljø).

"Men i stedet for at stige støt, atmosfæriske iltniveauer stabiliserede sig på 2 volumenprocent i omkring to milliarder år, før de steg til nutidens niveau på 21 %. Årsagerne til dette er længe blevet diskuteret af forskere, og vi tror, ​​at vi endelig har fundet et simpelt, men robust svar. "

Et studie, offentliggjort i dag i Tendenser i plantevidenskab af forskere fra UCL, Queen Mary University of London og Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, foreslår for første gang, at atmosfærisk oxygen produceret ved hjælp af nitrogenase blokerede enzymet i at virke.

Denne negative feedback-sløjfe forhindrede yderligere ilt i at blive fremstillet og indledte en lang periode med stagnation i Jordens historie for omkring 2,4 milliarder år siden.

I næsten to milliarder år den proterozoiske Eon oplevede meget lille ændring i livets udvikling, hav og atmosfæres sammensætning og klima, får nogle til at kalde det den 'kedelige milliard'.

"Der er mange ideer om, hvorfor atmosfæriske iltniveauer stabiliserede sig på 2% i en så utrolig lang periode, herunder oxygenreaktion med metalioner, men bemærkelsesværdigt, nitrogenases nøglerolle er blevet fuldstændig overset, " sagde undersøgelsens medforfatter professor William Martin (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf).

"Vores teori er den eneste, der redegør for den globale indvirkning på produktionen af ​​ilt over en så langvarig periode og forklarer, hvorfor den var i stand til at stige til de niveauer, vi ser i dag, fremmer udviklingen af ​​livet på Jorden."

Holdet siger, at den negative feedback-løkke først sluttede, da planter erobrede land for omkring 600 millioner år siden.

Da landplanter dukkede op, deres iltproducerende celler i blade var fysisk adskilt fra nitrogenaseholdige celler i jorden. Denne adskillelse tillod ilt at akkumulere uden at hæmme nitrogenase.

Denne teori understøttes af beviser i fossiloptegnelsen, der viser, at cyanobakterier var begyndt at beskytte nitrogenase i dedikerede celler kaldet heterocyster for omkring 408 millioner år siden, når iltniveauet allerede var stigende fra fotosyntese i landplanter.

"Nitrogenase er afgørende for livet og fotosynteseprocessen, da det fikserer nitrogen i luften til ammoniak, som bruges til at lave proteiner og nukleinsyrer, " sagde medforfatter Mrs Brenda Thake (Queen Mary University of London).

"Vi ved fra at studere cyanobakterier under laboratorieforhold, at nitrogenase holder op med at virke ved højere end 10% nuværende atmosfæriske niveauer, hvilket er 2 volumenprocent, da enzymet hurtigt ødelægges af ilt. På trods af at dette er kendt af biologer, det er ikke blevet foreslået som en driver bag et af Jordens store mysterier, indtil nu."