Datorer simulerar förfädernas versioner av det vanligaste proteinet på jorden, ger forskare en oöverträffad titt på det tidiga livets utveckling av att utnyttja energi från solen och produktion av syre.

Dessa fynd kan kasta ljus över utvecklingen av främmande liv på andra håll i universum, sa forskare. De redogjorde nyligen för sina fynd i tidningen online Geobiologi .

Fotosyntes, som använder energi från solljus för att skapa sockerarter och andra kolbaserade organiska molekyler från koldioxidgas, har spelat en stor roll i jordens historia. Fotosyntes stöder förekomsten av växter och andra fotosyntetiska organismer över jordens land och hav, som i sin tur upprätthåller komplexa nät av djur och annat liv. Det genererar också syrgasen som kemiskt har förändrat planetens ansikte.

Även om syre för närvarande utgör ungefär en femtedel av jordens atmosfär, mycket tidigt i planetens historia, syre var sällsynt. "Vår planet har, under mycket av sin historia, liknade en helt främmande plats, sa Betül Kacar, en evolutionsbiolog och astrobiolog vid Harvard University.

Första gången som grundämnet till stor del genomströmmade jordens atmosfär var för cirka 2,5 miljarder år sedan i det som kallas den stora oxidationshändelsen. Tidigare forskning tyder på att detta hopp i syrenivåer nästan säkert berodde på cyanobakterier - mikrober som, som växter, fotosyntetisera och producera syre.

Att studera hur livet utvecklades under de främmande förhållandena i jordens djupa förflutna kan kasta ljus över "förhållanden som kan vara mer i linje med temperaturen eller atmosfärens sammansättningar av en mängd olika planeter utanför vårt solsystem, sa Kacar. Med andra ord, forskning om tidigt liv på jorden kan hjälpa oss att förstå möjligt främmande liv på avlägsna exoplaneter.

Det första stora steget i fotosyntesen utlöses av ett enzym som kallas Rubisco. Tidigare forskning antydde att Rubisco sannolikt är det vanligaste proteinet på jorden.

"Rubiscos uppgift är att ta in koldioxid från miljön så att den kan omvandlas till biologiskt material, sa Kacar.

Många versioner av Rubisco finns över ett brett spektrum av organismer, från växter till bakterier. Mycket är fortfarande osäkert om när Rubisco utvecklades och hur den diversifierades över tiden på grund av den magra fossila historien om tidigt liv på jorden. Att lära sig mer om utvecklingen av Rubisco kan kasta ljus över hur tidig fotosyntes var och vilka förändringar den åstadkom på jorden. Sådana fynd kan ge insikter om vilka effekter främmande versioner av fotosyntes kan ha på avlägsna planeter.

För att ta reda på Rubiscos släktträd, Kacar och hennes kollegor använde datormodeller för att analysera molekylstrukturerna i olika versioner av Rubisco. Att jämföra och kontrastera olika versioner av Rubisco kan belysa hur nära eller avlägset besläktade alla dessa proteiner kan vara till varandra.

Detta arbete hjälpte forskarna att härleda de möjliga strukturerna hos gamla medlemmar av Rubiscos släktträd. Forskarna återuppväckte sedan dessa förfäders proteiner på datorn för att se hur dessa strukturer en gång kan ha betett sig.

Det finns fyra stora grupper, eller former av Rubisco och Rubisco-liknande proteiner. Forskarna fokuserade på så kallade Form I- och Form III-grupper. Form I-proteiner är associerade med oxia, eller syreladdad luft, och inkluderar de former av Rubisco som är dominerande idag. Form III-enzymer är associerade med anoxi, eller brist på syre, och tidigare forskning antydde att de kan vara förfäder till alla andra Rubisco-grupper.

De nya fynden tyder på att Rubisco uppenbarligen genomgick en hel del förändring under divergensen mellan Form I och Form III typer av Rubisco. Detta tyder på att syre, som var giftig för tidigt liv på jorden, sporrade dessa förändringar. Specifikt, forskarna föreslår att vissa former av Rubisco anpassade sig till närvaron av det syre som den indirekt hjälpte till att generera. Dessa former av Rubisco utvecklades för att inte förväxla syre med koldioxid.

"Koldioxid och syre är ungefär lika stora och har liknande kemiska egenskaper, så Rubisco kan blanda ihop de två molekylerna, " sa Kacar. "När Rubisco tar in syre istället för koldioxid, det är inte möjligt att göra biomassa eftersom det inte finns något kol i syre."

I sista hand, forskarna vill skapa mikrober som har förfäders versioner av Rubisco. De kan sedan jämföra de kemiska egenskaperna hos sådana mikrober med den kemiska sammansättningen av gamla stenar för att lära sig mer om vilka händelser som kan ha inträffat i den tidiga jorden, sa Kacar.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.