Uden ilt, Jordens tidlige mikrober var afhængige af arsen for at opretholde liv

Meget af livet på planeten Jorden i dag er afhængig af ilt for at eksistere, men før ilt var til stede på vores blå planet, livsformer brugte sandsynligvis arsen i stedet. Disse resultater er detaljerede i forskning offentliggjort i dag i Kommunikation Jord og miljø .

En nøglekomponent i iltkredsløbet er, hvor planter og nogle typer bakterier i det væsentlige tager sollys, vand, og CO ₂ , og omdanne dem til kulhydrater og ilt, som derefter cykles og bruges af andre organismer, der indånder ilt. Denne oxygen tjener som et køretøj for elektroner, optager og donerer elektroner, når den driver gennem de metaboliske processer. Imidlertid, i halvdelen af ​​tiden har der eksisteret liv på Jorden, der var ingen ilt til stede, og i de første 1,5 milliarder år, vi ved virkelig ikke, hvordan disse systemer fungerede, siger hovedforfatter af undersøgelsen og UConn professor i havvidenskab og geovidenskab Pieter Visscher.

Lysdrevet, fotosyntetiske organismer optræder i fossiloptegnelsen som lagdelte karbonatsten kaldet stromatolitter, der dateres til omkring 3,7 milliarder år siden, siger Visscher. Stromatolitmåtter aflejres over eonerne af mikrobielle økosystemer, med hvert lag med spor om livet på det tidspunkt. Der er nutidige eksempler på mikrober, der fotosyntetiserer i fravær af ilt ved hjælp af en række forskellige elementer til at fuldføre processen, det er dog uklart, hvordan dette skete i de tidligste livsformer.

Teorier om, hvordan livets processer fungerede i fravær af ilt, har for det meste været afhængig af brint, svovl, eller jern som de grundstoffer, der transporterede elektroner rundt for at opfylde organismers metaboliske behov.

Som Visscher forklarer, disse teorier bestrides; for eksempel, fotosyntese er mulig med jern, men forskerne finder ikke beviser for det i fossiloptegnelserne, før ilt dukkede op for omkring 2,4 milliarder år siden. Brint nævnes, alligevel viser energien og konkurrencen om brint mellem forskellige mikrober, at det er yderst umuligt.

Arsen er en anden teoretisk mulighed, og beviser for det blev fundet i 2008. Visscher siger, at forbindelsen med arsen blev styrket i 2014, da han og kolleger fandt beviser for arsen-baseret fotosyntese i dyb tid. For yderligere at understøtte deres teori, forskerne havde brug for at finde en moderne analog til at studere biogeokemi og elementcykling.

At finde en analog til forholdene på den tidlige jord er en udfordring af en række årsager, udover at der nu er rigeligt med ilt. For eksempel, beviserne viser, at tidlige mikrober fangede atmosfærisk kulstof og producerede organisk stof på et tidspunkt, hvor vulkanudbrud var hyppige, UV-lys var intenst i fravær af ozonlaget, og oceaner var i det væsentlige en giftig suppe.

Et andet udfordrende aspekt ved at arbejde inden for fossiloptegnelsen, især dem så gamle som nogle stromatolitter, er, at der er få tilbage på grund af rockens cykling, når kontinenter bevæger sig. Imidlertid, et gennembrud skete, da holdet opdagede en aktiv mikrobiel måtte, eksisterer i øjeblikket under de barske forhold i Laguna La Brava i Atacama-ørkenen i Chile.

Måtterne er ikke blevet undersøgt tidligere, men præsenterer et overjordisk sæt forhold, som dem fra den tidlige Jord. Måtterne er i et unikt miljø, som efterlader dem i en permanent iltfri tilstand i stor højde, hvor de er udsat for vild, daglige temperatursvingninger, og høje UV-forhold. Måtterne tjener som kraftfulde og informative værktøjer til virkelig at forstå livet under forholdene på den tidlige Jord.

Visscher forklarer, "Vi begyndte at arbejde i Chile, hvor jeg fandt en blodrød flod. De røde sedimenter består af anoxogene fotosyntetiske bakterier. Vandet er også meget højt i arsen. Vandet, der strømmer over måtterne, indeholder svovlbrinte, som er vulkansk af oprindelse, og det flyder meget hurtigt over måtterne. Der er absolut ingen ilt."

Holdet viste også, at måtterne lavede karbonataflejringer og skabte en ny generation af stromatolitter. Karbonatmaterialerne viste også beviser for arsencykling - at arsen tjener som et vehikel for elektroner - hvilket beviser, at mikroberne aktivt metaboliserer arsen, meget som ilt i moderne systemer. Visscher siger, at disse resultater, sammen med fossile beviser, giver en stærk fornemmelse af Jordens tidlige forhold.

"Arsen-baseret liv har været et spørgsmål i forhold til, har det en biologisk rolle, eller er det bare en giftig forbindelse?" siger Visscher.

Det spørgsmål ser ud til at være besvaret:"Jeg har arbejdet med mikrobielle måtter i omkring 35 år eller deromkring. Dette er det eneste system på Jorden, hvor jeg kunne finde en mikrobiel måtte, der fungerede absolut uden ilt."

Visscher påpeger, at et vigtigt værktøj, de brugte til at udføre denne forskning, ligner et ombord på Mars Perseverance-roveren, i øjeblikket på vej til Mars.

"Ved at lede efter beviser på liv på Mars, de vil se på jern, og de burde nok også kigge på arsenik."