Metale, zwłaszcza żelazo, odgrywają kluczową rolę w funkcjach biologicznych od początków życia.
Naukowcy sugerują, że żelazo było dominującym metalem na początku życia, na co wpływała jego obfitość w wstępnie natlenionych oceanach. Ta dominacja wpłynęła na procesy biologiczne i ewolucję wczesnych organizmów, przy czym znaczące zmiany nastąpiły w następstwie natlenienia atmosfery ziemskiej, co zmniejszyło rozpuszczalność i dostępność żelaza.
Rola metalu w funkcjach biologicznych
Każdy żywy organizm wykorzystuje niewielkie ilości metali do wykonywania funkcji biologicznych, w tym oddychania, transkrypcji DNAprzekształcanie żywności w energię lub dowolną liczbę niezbędnych procesów życiowych.
Życie wykorzystywało metale w ten sposób, odkąd organizmy jednokomórkowe pływały w najwcześniejszych oceanach Ziemi. Prawie połowa enzymów – białek przeprowadzających reakcje chemiczne w komórkach – w organizmach wymaga metali, z których wiele to metale przejściowe, których nazwy pochodzą od miejsca zajmowanego w układzie okresowym.
Prymat żelaza we wczesnym rozwoju biologicznym
Teraz zespół naukowców z Uniwersytetu Michigan, Kalifornijskiego Instytutu Technologii i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles argumentuje, że żelazo było najwcześniejszym i jedynym metalem przejściowym występującym w życiu. Ich badanie opublikowano dzisiaj (9 września) w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
„Składamy radykalną propozycję: żelazo było pierwotnym i jedynym metalem przejściowym w życiu” – powiedziała Jena Johnson, adiunkt na Wydziale Nauk o Ziemi i Środowisku UM. „Uważamy, że życie opierało się wyłącznie na metalach, z którymi może wchodzić w interakcje, a bogaty w żelazo wczesny ocean sprawiał, że inne metale przejściowe były w zasadzie niewidoczne”.
Podejście badawcze i spostrzeżenia z biochemii historycznej
Aby zbadać ten pomysł, Johnson dołączył Uniwersytet Kalifornijski profesor Joan Valentine i badacz z Caltech Ted Present.
Valentine, chemik bionieorganiczny, zainteresował się tym, jak najwcześniej ewoluowało życie od mikroskopijnego do rozprzestrzeniania się skomplikowanych organizmów, które istnieją dzisiaj. W szczególności zastanawiała się, jakie metale zostały włączone do enzymów na wczesnym etapie życia, aby organizmy mogły przeprowadzać niezbędne procesy życiowe. Wielokrotnie słyszała, jak inni badacze twierdzili, że przez pierwszą połowę historii Ziemi oceany były pełne żelaza.
„Musisz zrozumieć, że w mojej dziedzinie biochemii i chemii bionieorganicznej, w medycynie i w życiu żelazo jest pierwiastkiem śladowym. Są to pierwiastki, które występują jedynie w niewielkich ilościach” – stwierdził Valentine. „Kiedy ci goście powiedzieli mi, że żelazo nie jest pierwiastkiem śladowym, wpadłem w szał”.
Geologiczne i biologiczne implikacje żelaza
Johnson, którego grupa badała formacje żelaza i wczesną biogeochemię oceanów, oraz Present znali dowody geologiczne sugerujące, że wczesne oceany były bogate w żelazo, a konkretnie w jon żelaza zwany Fe(II). Fe(II) można łatwo rozpuścić w wodzie i był głównym metalem występującym w oceanach w eonie archaiku, czyli okresie geologicznym, który rozpoczął się około 4 miliardy lat temu i zakończył około 2,5 miliarda lat temu.
Koniec archaikowego eonu został naznaczony przez coś, co nazywano Wielkim Wydarzeniem Natlenienia. W tym czasie życie rozwinęło zdolność wytwarzania tlenu fotosynteza. Zdaniem naukowców w ciągu następnego miliarda lat ziemski ocean przekształcił się z bogatego w żelazo, beztlenowego morza w dzisiejszy natleniony zbiornik wodny. To również spowodowało utlenienie Fe(II) do Fe(III), czyniąc go nierozpuszczalnym.
Badanie wpływu żelaza na wczesne życie
Chociaż Johnson and Present twierdzili, że geolodzy wiedzieli o wszechobecności żelaza na Ziemi w tym czasie, dopiero gdy zaczęli rozmawiać z Valentinem, zdali sobie sprawę, jak wielki wpływ żelazo mogło mieć na wczesne życie.
Aby zbadać potencjalny wpływ, zespół Present zaprojektował model, który zaktualizował przewidywania dotyczące stężeń niektórych metali, w tym żelaza, manganu, kobaltu, niklu, miedzi i cynku, które mogły być dostępne w oceanach Ziemi w momencie powstania życia. Grupie udało się oszacować maksymalne stężenie i dostępność tych pierwiastków w najwcześniejszym okresie życia – dodał.
Zmiana wykorzystania metali w czasie geologicznym
„To, co zmieniło się najbardziej dramatycznie po wystąpieniu Wielkiego Zdarzenia Natlenienia, tak naprawdę nie polegało na stężeniu pozostałych pierwiastków śladowych” – stwierdził Present. „To, co zmieniło się najbardziej dramatycznie, to spadek stężenia rozpuszczonego żelaza. Tak naprawdę nie zastanawiano się nad konsekwencjami tego, co to oznacza dla życia i jak „widzi” pierwiastki w wodzie”.
Kiedy grupa ustaliła, jakie metale były dostępne we wczesnych oceanach, zbadała, z którymi metalami będą się wiązać proste biomolekuły w roztworach bogatych w żelazo.
„Zdaliśmy sobie sprawę, że żelazo będzie musiało wystarczyć na prawie wszystko” – powiedział Johnson. „Biomolekuły mogą wychwytywać magnez i żelazo, ale cynk nie przedostaje się do środka. Może nikiel może przedostać się do niektórych biomolekuł w odpowiednich okolicznościach, ale cynk nie jest konkurencyjny. Kobalt jest niewidoczny. Mangan jest dość niewidoczny. Ta różnica rzędu wielkości w stężeniu żelaza w oceanach miała naprawdę namacalny wpływ na to, co biomolekuły mogą „widzieć” i wiązać ze środowiskiem”.
Ewolucyjna adaptacja do niedoboru metalu
Aby ustalić, czy żelazo będzie działać w metaloenzymach, które obecnie opierają się na innych metalach, Valentine i Johnson przekopali się do literatury naukowej, aby dowiedzieć się, w jaki sposób życie wykorzystuje obecnie pewne metale. W każdym przypadku znaleźli przykłady zastępowania żelaza lub magnezu. Chociaż metaloenzym może wykorzystywać pewien rodzaj metalu, taki jak cynk, odkryli, że nie oznacza to, że jest to jedyny metal, którego może używać enzym.
„Cynk i żelazo to naprawdę dramatyczny przykład, ponieważ cynk jest obecnie absolutnie niezbędny do życia” – stwierdziła Valentine. „Pomysł życia bez cynku był dla mnie naprawdę trudny, dopóki nie zagłębiliśmy się w ten temat i nie zdaliśmy sobie sprawy, że dopóki nie ma w pobliżu tlenu, który mógłby utlenić żelazo z Fe(II) do Fe(III), żelazo jest często lepsze niż cynk w tych enzymach.”
Present stwierdził, że gdy żelazo utleniło się i nie było już tak dostępne biologicznie, jak przed Wielkim Wydarzeniem Natleniającym, życie musiało znaleźć inne metale, które mogłoby podłączyć do swoich enzymów.
„Życie, w obliczu o rząd wielkości większej ilości żelaza niż innych metali, nie mogło ewoluować w kierunku tak wyrafinowanego sposobu zarządzania nimi” – stwierdził Present. „Spadek obfitości żelaza zmusił życie do zarządzania innymi metalami, aby przetrwać, ale umożliwiło to także nowe funkcje i różnorodność życia, które mamy dzisiaj”.
Odniesienie: „Żelazo: pierwotny metal przejściowy życia” 9 września 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
