(Philip Steury/iStock/Getty Images) Werden wir irgendwo das einfache Leben entdecken? Vielleicht auf Enceladus oder Europa in unserem Sonnensystem oder weiter entfernt auf einem Exoplaneten?
Je besser wir unser Sonnensystem erforschen und Exoplaneten erforschen, desto mehr verlagert sich die Aussicht, einfaches Leben zu finden, aus dem kreativen Bereich der Science-Fiction in die konkrete Missionsplanung.
Wenn der hoffnungsvolle Tag der Entdeckung näher rückt, ist es ein guter Zeitpunkt zu fragen: Wie könnte dieses potenzielle Leben aussehen?
Ein Forscherteam der University of California in Riverside untersuchte die antike Erde und einige ihrer ersten Bewohner, um Aufschluss darüber zu geben, wie einfaches Leben auf anderen Welten aussehen könnte und wie die Atmosphären aussehen könnten.
Die Erde ist heute ganz anders als damals, als sie nur einfaches Leben beherbergte. Der Tolles Oxygenierungs-Event (GOE) hat die Erde für immer verändert und sie auf den Weg gebracht, der Planet zu werden, der sie heute ist, mit einer sauerstoffreichen Atmosphäre und komplexem Leben. Vor der GOE war die Erdatmosphäre ganz anders, und das Leben trieb die Veränderung voran. Diese kurze Geschichte verdeutlicht eine wichtige Tatsache: Das Leben und seine Umwelt sind miteinander verknüpft.
Die frühen Lebensformen der Erde lebten in einer vergleichsweise energiearmen Umgebung, in einer sauerstoffarmen Atmosphäre.
Sonnenlicht war die einzige leicht verfügbare Energie, und lange bevor sich die Photosynthese entwickelte, nutzten Lebensformen das Sonnenlicht unterschiedlich.
Sie verwendeten Proteine namens Rhodopsine um Sonnenenergie einzufangen, und diese Proteine waren eine einfachere Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen als die kompliziertere Photosynthese.
„Auf der frühen Erde war Energie möglicherweise sehr knapp. „Bakterien und Archaeen haben herausgefunden, wie sie die reichlich vorhandene Energie der Sonne nutzen können, ohne die komplexen Biomoleküle, die für die Photosynthese erforderlich sind“, sagte UC Riverside-Astrobiologe Edward Schwieterman in einer Pressemitteilung.
Schwieterman ist Co-Autor einer neuen Studie, die in veröffentlicht wurde Molekularbiologie und Evolution . Die Studie ist ' Früheste Nischen der photischen Zone, die von mikrobiellen Rhodopsinen der Vorfahren untersucht wurden ,‘ und die Studienleiterin ist Betul Kacar, eine Astrobiologin an der University of Wisconsin-Madison.
Ein Beweis für ihre Nützlichkeit ist, dass Rhodopsine nicht mit den frühen Lebensformen, aus denen sie entstanden sind, verschwanden. Sie sind heute in Organismen weit verbreitet, auch in uns. Sie befinden sich in den Stäbchen der Netzhaut unserer Augen und sind dort für das Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen verantwortlich. Man findet sie auch im modernen, einfachen Leben an Orten wie Salzteichen.
Ihre Präsenz im modernen Leben stellt eine Verbindung zur Evolutionsgeschichte der Rhodopsine her. Die Forscher untersuchen diesen Zusammenhang mithilfe von maschinelles Lernen und Proteinsequenzierung. Mit diesen Werkzeugen konnten die Forscher die Entwicklung der Proteine über geologische Zeitskalen hinweg verfolgen.
Ein Blick auf das Leben und die Atmosphäre der Erde ist kein guter Hinweis darauf, wie man auf anderen Welten nach Leben suchen soll. Unsere heutige Atmosphäre ist sauerstoffreich, aber die Atmosphäre der frühen Erde könnte ähnlicher gewesen sein Venus ', entsprechend einige Recherchen .
Indem sie verfolgten, wie sich Rhodopsine entwickelten, erstellten die Autoren der neuen Arbeit einen Stammbaum für die Proteine. Sie konnten Rhodopsine aus der Zeit vor 2,5 bis 4 Milliarden Jahren rekonstruieren.
Ein Großteil unserer Suche nach Leben konzentriert sich auf die Planetenatmosphäre. Bestimmte atmosphärische Moleküle können Biomarker sein, aber um zu wissen, welche auf das Vorhandensein einfachen, frühen Lebens hinweisen könnten, müssen wir im Detail wissen, wie die frühe Atmosphäre der Erde aussah, als der Planet einfaches Leben beherbergte.
„Die Entschlüsselung der komplexen Beziehungen zwischen Leben und der Umgebung, in der es lebt, ist von zentraler Bedeutung für die Rekonstruktion der Faktoren, die die Bewohnbarkeit des Planeten über geologische Zeitskalen hinweg bestimmen“, so die Autoren schreiben am Anfang ihrer Arbeit, und das bereitet die Bühne für die Ergebnisse, die sie präsentieren.
„Das Leben, wie wir es kennen, ist ebenso Ausdruck der Bedingungen auf unserem Planeten wie des Lebens selbst.“ „Wir haben alte DNA-Sequenzen eines Moleküls wiederbelebt und konnten so eine Verbindung zur Biologie und Umwelt der Vergangenheit herstellen.“ sagte der Studienleiter Kacar.
Die Forschung des Teams entspricht den genealogischen Tests, die uns heute zur Verfügung stehen. Wir können unsere DNA einreichen und viel darüber erfahren, woher wir kommen. Die intensive Arbeit des Teams ist ein viel tiefergehender Einblick, aber der Vergleich ist hilfreich.
„Es ist, als würde man die DNA vieler Enkelkinder nehmen, um die DNA ihrer Großeltern zu reproduzieren.“ „Nur sind es nicht die Großeltern, sondern winzige Dinge, die vor Milliarden von Jahren auf der ganzen Welt lebten“, sagt Schwieterman sagte .
Die Forscher entdeckten Unterschiede zwischen alten und modernen Rhodopsinen im Licht, das sie absorbierten. Den genetischen Rekonstruktionen zufolge absorbierten alte Rhodopsine hauptsächlich blaues und grünes Licht, während moderne Rhodopsine blaues, grünes, gelbes und orangefarbenes Licht absorbieren. Dies ist ein Hinweis auf die Umweltunterschiede zwischen der alten und der modernen Erde.
Wir wissen, dass die alte Erde keine hatte Ozon Schicht vor der GOE, die vor etwa 2 bis 2,4 Milliarden Jahren stattfand.
Der Ozonschicht kann ohne freien Sauerstoff in der Atmosphäre nicht existieren, und ohne Ozonschicht war das Leben auf der Erde viel mehr UV-Strahlung ausgesetzt als heute.
Derzeit absorbiert die Ozonschicht der Erde zwischen 97 und 99 Prozent der UV-Strahlung der Sonne.
Die Forscher glauben, dass die Fähigkeit der alten Rhodopsine, blaues und grünes Licht und nicht gelbes und oranges Licht zu absorbieren, bedeutet, dass das Leben, das darauf angewiesen war, mehrere Meter tief in der Wassersäule lebte. Die Wassersäule über den Organismen schützte sie vor der harten UVB-Strahlung an der Wasseroberfläche.
Nach der GOE bot die Ozonschicht Schutz vor der UV-Strahlung der Sonne, und das Leben entwickelte modernere Rhodopsine, die mehr Licht absorbieren können. So können moderne Rhodopsine neben blauem und grünem Licht auch gelbes und orangefarbenes Licht absorbieren.
Moderne Rhodopsine können Licht absorbieren, was photosynthetische Chlorophyllpigmente nicht können. Moderne Rhodopsine und Photosynthese ergänzen einander durch die Absorption unterschiedlichen Lichts, obwohl es sich dabei um nicht miteinander verbundene und unabhängige Mechanismen handelt, die einen Hauch evolutionärer Eleganz ausstrahlen. Diese komplementäre Beziehung stellt ein kleines Rätsel in der Evolution dar.
„Dies deutet auf Koevolution hin, da eine Gruppe von Organismen Licht ausnutzt, das von der anderen nicht absorbiert wird“, sagt Schwieterman sagte . „Das könnte daran liegen, dass Rhodopsine sich zuerst entwickelten und das grüne Licht abschirmten, sodass sich später Chlorophylle entwickelten, um den Rest zu absorbieren.“ „Oder es hätte auch umgekehrt passieren können.“
Viele Hinweise auf die Natur des frühen Lebens auf der Erde finden sich in der Geologie. Wissenschaftler untersuchen routinemäßig alte Gesteine, um zu verstehen, wie frühes Leben überlebte und sich entwickelte.
Sie untersuchen auch das Verhalten der Sonne und wie viel ihrer Energie die Oberfläche des Planeten erreichte, als sich die Erde im Laufe der Zeit veränderte. Aber jetzt haben sie ein anderes Werkzeug.
„Die im Leben selbst kodierten Informationen könnten neue Erkenntnisse darüber liefern, wie unser Planet die Bewohnbarkeit des Planeten aufrechterhalten hat, wo geologische und stellare Schlussfolgerungen unzureichend sind“, so die Autoren erklären in ihrer Arbeit.
Im antiken Leben fungierten Rhodopsine als eine Art von Protonenpumpe . Eine Protonenpumpe erzeugt einen Energiegradienten in einer Lebensform. Das ist etwas anderes als die Photosynthese, die chemische Energie erzeugt, die ein Organismus zum Überleben benötigt. Eine Protonenpumpe und der Energiegradient erzeugen einen Unterschied im elektrochemischen Potential entlang einer Zellmembran. Es ist wie eine Batterie, weil der Gradient Energie für den späteren Gebrauch bereitstellt.
Aber als wissenschaftsinteressierte Menschen müssen wir nicht genau wissen, wie sie funktionieren. Wir können verstehen, wie sie uns helfen können, Atmosphären von Exoplaneten zu identifizieren, die denen der primitiven Erde ähneln, und das einfache Leben, das dort gedieh.
Das Team sagt, dass sie in Biomolekülen kodierte Informationen nutzen können, um Nischen zu verstehen, in denen antikes Leben überlebt hat, die in unseren paläontologischen Aufzeichnungen nirgendwo vorkommen. Sie bezeichnen sie als Paläosensoren.
Die Forscher sagen dass, weil die „… funktionale Diversifizierung und spektrale Abstimmung dieser taxonomisch vielfältigen Proteinfamilie…“ gekoppelt sind, Rhodopsine ein hervorragendes Labortestobjekt für die Identifizierung entfernt nachweisbarer Biosignaturen auf Exoplaneten sind.
Und sie sind noch nicht fertig.
Sie beabsichtigen, Techniken der synthetischen Biologie zu nutzen, um alte Rhodopsine zu verstehen, wie sie dazu beigetragen haben, die alte Atmosphäre der Erde zu formen, und wie sie die Atmosphären von Exoplaneten formen könnten.
„Wir manipulieren die alte DNA in modernen Genomen und programmieren die Käfer so um, dass sie sich unserer Meinung nach vor Millionen von Jahren verhalten.“ „Rhodopsin ist ein großartiger Kandidat für Zeitreisestudien im Labor“, sagte Kacar sagte .
Einige Beweise für das frühe Leben und die Atmosphäre der Erde bleiben uns verborgen. Aber die Methode des Teams überwindet einige Hindernisse bei unserer Suche nach diesen Beweisen. Wer weiß, wohin es uns führt.
„Unsere Studie zeigt zum ersten Mal, dass die Verhaltensgeschichte von Enzymen auf eine Art und Weise evolutionär rekonstruiert werden kann, wie dies bei herkömmlichen molekularen Biosignaturen nicht der Fall ist“, so Kacar sagte .
Je mehr wir über die frühe Erde erfahren, desto mehr erfahren wir über andere Welten. Wenn mehrere Planeten Leben beherbergen, hat jeder wahrscheinlich einen anderen Weg eingeschlagen, um Leben zu beherbergen. Aber es wird Parallelen in der Chemie und der Physik dahinter geben. Und genau wie hier auf der Erde muss das Zusammenspiel von Leben und Umwelt die Geschichte anderer Welten prägen.
„Die Koevolution von Umwelt und Leben zu Beginn der Erdgeschichte dient als Modell für die Vorhersage universeller, nachweisbarer Biosignaturen, die auf einem von Mikroben dominierten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erzeugt werden könnten“, so die Autoren schreiben in ihrer Arbeit.
„Die frühe Erde ist im Vergleich zu unserer heutigen Welt eine fremde Umgebung.“ „Wenn wir verstehen, wie sich die Organismen hier im Laufe der Zeit und in verschiedenen Umgebungen verändert haben, werden wir wichtige Erkenntnisse darüber gewinnen, wie wir anderswo nach Leben suchen und es erkennen können“, sagt Schwieterman sagte .
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lies das originaler Artikel .