När dis byggdes upp i atmosfären på den arkaiska jorden, den unga planeten kan ha sett ut som den här konstnärens tolkning - en ljusorange prick. Upphovsman:NASA:s Goddard Space Flight Center/Francis Reddy
Vi vet lite om jordens yttemperaturer under de första 4 miljarder åren av dess historia. Detta utgör en begränsning av forskning om livets ursprung på jorden och även hur det kan uppstå även i avlägsna världar.
Nu föreslår forskare att genom att återuppväcka gamla enzymer skulle de kunna uppskatta temperaturen i vilka dessa organismer sannolikt utvecklades för miljarder år sedan. Forskarna publicerade nyligen sina fynd i tidskriften, Förfaranden från National Academy of Sciences .
"Vi behöver en bättre förståelse för inte bara hur livet först utvecklades på jorden, men hur livet och jordens miljö samutvecklades under miljarder år av geologisk historia, "sade huvudförfattaren Amanda Garcia, en paleogeobiolog vid University of California, Los Angeles. "En liknande samutveckling verkar vara säker för alla liv någon annanstans i universum."
Garcia och hennes kollegor fokuserade på historien om jordens yttemperaturer. Stenar erbjuder många ledtrådar för att härleda temperaturer under de senaste 550 miljoner åren i fenerozoisk tid, när det är komplext, det flercelliga livet tog fart, inklusive människors. Dock, få sådana "paleotermometrar" existerar för den tidigare prekambriska eran, som spänner över jordens bildning för 4,6 miljarder år sedan och livets uppkomst.
Tidigare geologiska bevis har antytt att för 3,5 miljarder år sedan, under den arkeiska Eon, haven var 131º till 185º F (55º till 85º C). De svalnade dramatiskt till nuvarande medeltemperaturer på 59º F (15º C). Forskare gjorde dessa uppskattningar genom att undersöka syre- och kiselisotoper i marina stenar. Kvartsrika stenar i havsbotten, känd som cherts, har högre halter av de tyngre syre-18 och kisel-30 isotoper när havsvattnet blir kallare. I princip, förhållandet mellan tyngre och lättare syre och kiselisotoper kan belysa gamla temperaturer.
Bilden till vänster visar hur jorden kunde ha sett ut för mer än 3 miljarder år sedan i den tidiga Archean. De orangefärgade formerna representerar de magnesiumrika proto-kontinenterna innan plattetektonik startade, även om det är omöjligt att bestämma deras exakta former och platser. Havet verkar grönt på grund av en stor mängd järnjoner i vattnet vid den tiden. Tidslinjen spårar övergången från en magnesiumrik övre kontinentalskorpa till en magnesiumfattig övre kontinentalskorpa. Upphovsman:Ming Tang/University of Maryland
Men sådana paleo-termometrar tar inte tillräckligt hänsyn till hur dessa stenar eller havet kan ha förändrats under miljarder år. Kanske varierade isotopförhållandena i havsvatten över tiden som svar på fysiska eller kemiska förändringar, som vatten rinner ut ur marken eller från hydrotermiska ventiler.
Med tanke på osäkerheterna, Garcia och hennes kollegor sökte en oberoende mätning av havsvattentemperaturer i prekambrium som fokuserar på biologiska molekylers beteende. Forskarna undersökte ett enzym som kallas nukleosiddifosfatkinas (NDK), som hjälper till att manipulera byggstenarna i DNA och RNA, liksom många andra roller. Versioner av detta protein finns i praktiskt taget alla levande organismer, och var troligen också avgörande för många utdöda organismer. Tidigare forskning fann ett samband mellan de optimala temperaturerna för proteinstabilitet och en organisms tillväxt.
Genom att jämföra de molekylära sekvenserna av versioner av NDK i en mängd olika samtida arter, forskare kan rekonstruera de versioner av NDK som kan ha funnits i deras gemensamma förfäder. Genom att syntetisera dessa rekonstruktioner, forskare kan experimentellt testa dessa "uppståndna" gamla proteiner för att hitta temperaturen som stabiliserar proteinet och härleda den sannolika temperaturen som stödde den gamla organismen.
Forskare uppskattar när gamla enzymer kan ha existerat genom att titta på sina närmaste levande släktingar till deras värdorganism. Ju större skillnader i de genetiska sekvenserna hos dessa släktingar, ju längre sedan deras sista gemensamma släkting sannolikt levde. Forskare använder dessa skillnader för att mäta åldern på biomolekyler, såsom rekonstruktioner av NDK.
Tidigare forskning hade rekonstruerat gamla enzymer för att härleda tidigare temperaturer, men några av dessa enzymer kan ha kommit från organismer som levde i ovanligt varma miljöer, såsom hydrotermiska ventiler i djuphavet, som inte skulle vara representativt för det bredare havet. Istället, Garcia och hennes kollegor försökte rekonstruera NDK från markväxter och fotosyntetiska bakterier som lever i de övre solbelysta djupen av oceaner, förmodligen långt ifrån kokande varma källor.
Mikrobiella rev som kallas stromatoliter är exempel på biologiska strukturer som hittades för 3,7 miljarder år sedan. Upphovsman:Pamela Reid, Ph.D., University of Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science
Deras forskning tyder på att jordens yta svalnade från ungefär 167º F (75º C) för cirka 3 miljarder år sedan till ungefär 95º (35º F) för cirka 420 miljoner år sedan. Dessa fynd överensstämmer med tidigare geologiska och enzymbaserade resultat.
Garcia sa att en sådan dramatisk kylning är svår att förstå, betonar hur forskare måste komma ihåg hur olika förhållanden var förr när de räknade ut hur livet utvecklats över tiden.
"Det kräver mycket ansträngning att föreställa sig en värld som inte verkar passa med det sunda förnuftet av våra nuvarande jordförhållanden."
Framtida forskning kan rekonstruera versioner av NDK från fler organismer, liksom andra enzymer, ge mer bevis för att stödja metoden. Sådan forskning kan hjälpa "att lösa stora frågor om livets tidiga utveckling och jordens miljö, " Hon sa.
Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NASA:s Astrobiology Magazine. Utforska jorden och mer på www.astrobio.net.
