Древний метаболический процесс воссоздан: реакции железа и серы в имитации "черных курильщиков" проливают свет на раннюю жизнь
Самые первые клетки получали энергию из геохимических реакций. Исследователям из LMU удалось воссоздать этот древний метаболический процесс в лаборатории.
Скорее всего, самый ранний предок всей жизни на Земле предпочитал теплые условия, питался водородом и производил метан. К такому выводу исследователи LMU пришли на основе ископаемых свидетельств и метаболических реконструкций с помощью генетического анализа. Этот относительно простой, первобытный ацетил-КоА метаболический путь сохранился во многих микроорганизмах до наших дней.
Чтобы узнать больше о метаболизме, вероятно, одних из самых первых живых организмов на Земле, команда исследователей LMU под руководством профессора Уильяма Орси воссоздала в лаборатории условия молодой Земли 4–3,6 миллиарда лет назад.
Эти условия имели некоторое сходство с теми, что преобладают сегодня в гидротермальных источниках на дне океана, известных как "черные курильщики", с ключевым отличием: древние океаны были полны растворенного железа.
Активный рост без питательных веществ
В лабораторном эксперименте исследователи создали миниатюрные версии таких "черных курильщиков". Как это происходит естественным образом на морском дне, при высоких температурах протекали геохимические реакции железа и серы, образуя сульфидные минералы железа, такие как макинавит (FeS) и грейгит (Fe3S4), в процессе которого выделялся газообразный водород (H2).
В этих "химических садах" одноклеточный архей Methanocaldococcus jannaschii не только смог выжить, но и превзошел ожидания исследователей: "Помимо сверхэкспрессии некоторых генов ацетил-КоА метаболизма, археи фактически росли экспоненциально", — объясняет Ванесса Хельмбрехт, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Ecology & Evolution.
"В начале мы ожидали лишь незначительного роста, так как не добавляли в эксперимент никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или микроэлементов". Таким образом, одноклеточный организм оказался весьма искусным в использовании газообразного водорода, образующегося при абиотическом осаждении сульфидов железа, в качестве источника энергии.
Выделенный из осадка гидротермальных источников на дне океана, гипертермофильный микроб Methanocaldococcus jannaschii служит модельным организмом для метаногенеза через ацетил-КоА метаболический путь. Это организм, адаптированный к экстремальным условиям.
Самый древний метаболический процесс в эволюционной истории
В химических садах клетки всегда оставались в непосредственной близости от частиц макинавита. Это согласуется с ископаемыми свидетельствами, где некоторые геологические отложения таких минералов ранней истории Земли содержат ископаемые следы первой микробной жизни.
Исследователи делают вывод из результатов исследования, что химические реакции во время осаждения сульфидных минералов железа около 4 миллиардов лет назад генерировали достаточно энергии для выживания самых первых клеток и, таким образом, заложили основы водород-зависимого метаболизма первых микробов на молодой Земле. Соответственно, эта форма метаногенеза, основанная на водороде, произведенном неорганическим путем в результате химических реакций, является самой древней известной формой генерации энергии в эволюционной истории.
Космос — следующая граница
Теперь геобиологи LMU задаются вопросом, могут ли наблюдаемые ими метаболические процессы происходить и за пределами нашей планеты, и, следовательно, могут ли существовать внеземные места обитания для архей — например, на Энцеладе. NASA уже рассматривает этот спутник Сатурна как кандидата на возможную жизнь, потому что ученые подозревают наличие гидротермальной активности между его каменным ядром и жидким "содовым океаном" под ледяной корой.
"В нашем следующем исследовании мы смоделируем условия Энцелада в лаборатории и проверим, способны ли археи выживать и расти там", — говорит Хельмбрехт.