Livet på jorden kunde ha sitt ursprung i kalla förhållanden nära ytan, innan de sprids till varmare miljöer, enligt forskning som analyserar möjliga gensekvenser som tillhör det tidigaste livet.

Allt liv på jorden idag kommer från två olika utvecklingar i vår planets biologiska historia. Dessa är uppkomsten av de första livsformerna för miljarder år sedan, och den efterföljande utvecklingen av den sista universella gemensamma förfadern (LUCA) av alla existerande organismer.

Vad de än var vid den tiden, dessa två utdöda arter – det första livet och LUCA – ockuperade sannolikt radikalt olika miljöer, vilket tyder på att det tidiga livet måste genomgå en serie evolutionära förändringar av vilka spår fortfarande kan detekteras i organismer som lever idag.

"Att möta sådan miljövariabilitet tidigt kan vara nödvändigt för att bygga upp den komplexitetsnivå som krävs för att LUCA ska ha den evolutionära potentialen att fortsätta att diversifiera och kolonisera nästan alla livsmiljöer på jorden under fyra miljarder år, "Greg Fournier, en evolutionsbiolog vid MIT, berättar Astrobiology Magazine.

Fournier och hans kollega Marjorie Cantine redogjorde för sina resultat i tidskriften Livets ursprung och biosfärernas utveckling .

Även om nuförtiden är DNA härskar som livsritningen, en teori som delas av många evolutionsbiologer är att de första levande varelserna på jorden möjligen använde den enklare RNA-molekylen, som både kan koda genetisk information som DNA och utlösa viktiga kemiska reaktioner som många proteiner.

Forskarna analyserade register över gensekvenser som finns i alla organismer som för närvarande lever på jorden, inklusive de som sannolikt liknar jordens äldsta organismer, för att ta reda på vilka sekvenser det tidiga livet troligen hade. Därefter undersökte de tidigare forskning som undersökte hur väl dessa RNA-sekvenser fungerar under en mängd olika förhållanden, såsom temperatur, surhet och strålning för att härleda hur miljön i det tidigaste livet på jorden kan ha varit.

Ultraviolett ljus kan skada RNA, men det kan också ha utlöst kemiska reaktioner som hjälpte till att skapa viktiga byggstenar i livet. Vid tiden för livets ursprung, för cirka 4,4 miljarder år sedan, solen gav ifrån sig mer ultravioletta strålar än den gör nu. Forskarna föreslog att livet först uppstod nära jordens yta under någon form av strålningssköld, som vatten, istäcke, sediment eller andra barriärer, och hade tillgång till oskärmade miljöer som kunde generera viktiga biomolekyler.

Temperaturerna på jorden kan också ha varit relativt kalla vid den tiden, med tanke på solens svalare ungdom, tillräckligt för att betydande havsis ska bildas. Det är lättare för aminosyror (byggstenarna i proteiner) och långa RNA -molekyler att samlas i svalare temperaturer. Dessutom, isiga ytor och slask kunde ha koncentrerat biomolekyler tillsammans för att hjälpa livets uppkomst.

I kontrast, den sista universella gemensamma förfadern – den mikrobiella arten från vilken allt liv som finns idag kom från – kan ha levt i måttliga temperaturer, kanske för minst fyra miljarder år sedan. Forskare kan ana hur LUCA var genom att titta på vilka gener som organismer på jorden idag har gemensamt, analysera hur dessa gener förändrades under evolutionens gång, och härleda hur de förfäders versioner av dessa gener kan ha sett ut. DNA-sekvenserna som gör LUCAs cirka 600 gener och aminosyrorna som utgör dess proteiner är vanligtvis mest stabila i måttliga temperaturer, sa forskarna.

"Bygga på många andras arbete, vi föreslår att livet spreds in i och anpassade sig till nya miljöer mycket tidigt i dess historia, " säger studiens medförfattare Marjorie Cantine, en geobiolog vid MIT.

Forskarna föreslog också att LUCA levde på jordens yta, i motsats till andra studier som tyder på att LUCA levde runt hydrotermiska öppningar i djuphavet. Om LUCA verkligen uppstod på jordens yta, sedan hade den troligen gener som både fixade den typ av skada som ultraviolett ljus orsakar och som krävde nästan ultraviolett ljus för att driva dessa reparationer; det är dessa gener som antyder för Fournier och Cantine att LUCA exponerades för solens ultravioletta ljus nära ytan.

Forskarna föreslog att eftersom livet uppenbarligen har sitt ursprung i en helt annan miljö än den där LUCA levde, tidiga organismer har troligen utvecklats för att överleva radikala förändringar i sin omgivning. Sådana dramatiska förändringar kan ha inkluderat det sena tunga bombardementet under vilket svärmar av asteroider och kometer kolliderade med jorden och resten av det inre solsystemet; bildandet av kontinental skorpa; och den utbredda uppkomsten av flytande vatten på jordens yta.

En viktig tidig anpassning inkluderade sannolikt mobilitet - det vill säga samlar allt om sig själva inom ett cellulärt membran. Cellularitet skulle ha varit avgörande för att organismer skulle spridas bort från sina ursprungliga miljöer och diversifiera sig till nya miljöer.

Om vi ​​antar att det tidiga livet anpassades för att överleva i en schackbräda i många olika slags miljöer, "de komplexa ekologiska relationerna mellan olika arter kan ha varit en del av livet på jorden sedan mycket nära dess början, och LUCA är bara ett exempel på det liv som kan ha funnits vid den tiden, säger Fournier.

"Kanske var en snabb etablering av komplexa miljö- och ekologiska relationer till och med nödvändig för att det tidiga livet ska kunna bestå, ", tillägger Cantine.

Den bild som målats av Cantine och Fournier av den tidiga utvecklingen av livet på jorden är bara ett troligt scenario. "Vår tolkning, som andra, förlitar sig på en begränsad [genetisk] historik och är ett bidrag till en livlig debatt, säger Cantine.

Forskarna noterar att när jag letar efter möjliga tecken på liv på Mars, sökningar bör inte begränsas till troliga miljöer där liv kunde ha sitt ursprung, eftersom livet på Mars kan ha flyttat till andra miljöer sedan det dök upp. Istället, Cantine och Fournier föreslår att sökandet efter liv på Mars bör fokusera på de miljöer som med största sannolikhet har fångat och bevarat spår av liv.

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