Elektronmikroskopi av mikrobiella celler som andas sulfat. Upphovsman:Guy Perkins och Mark Ellisman, Nationellt centrum för mikroskopi och bildforskning
För tre och en halv miljard år sedan, Jorden var värd för liv, men överlevde det knappt, eller frodas? En ny studie utförd av ett multiinstitutionellt team med ledarskap inklusive Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ger nya svar på denna fråga. Mikrobiell metabolism registreras i miljarder år av svavelisotopförhållanden som överensstämmer med denna studiens förutsägelser, vilket tyder på att livet blomstrade i de gamla haven. Med hjälp av denna data, forskare kan mer djupgående koppla samman den geokemiska historiken med cellulära tillstånd och ekologi.
Forskare vill veta hur länge liv har funnits på jorden. Om det har funnits nästan lika länge som planeten, detta tyder på att det är lätt för liv att uppstå och bör därför vara vanligt i universum. Om det tar lång tid att uppstå, detta tyder på att det var mycket speciella förhållanden som måste inträffa. Dinosaurier, vars ben presenteras på museer runt om i världen, föregicks av miljarder år av mikrober. Medan mikrober har lämnat några fysiska bevis på deras närvaro i den gamla geologiska journalen, de fossiliserar inte bra, sålunda använder forskare andra metoder för att förstå huruvida liv fanns i det geologiska dokumentet.
Nuvarande, det äldsta beviset på mikrobiellt liv på jorden kommer till oss i form av stabila isotoper. De kemiska grundämnena i det periodiska systemet definieras av antalet protoner i deras kärnor. Till exempel, väteatomer har en proton, heliumatomer har två, kolatomer innehåller sex. Förutom protoner, de flesta atomkärnor innehåller också neutroner, som är ungefär lika tunga som protoner, men som inte bär någon elektrisk laddning. Atomer som innehåller samma antal protoner, men varierande antal neutroner, är kända som isotoper. Medan många isotoper är radioaktiva och därmed sönderfaller till andra grundämnen, vissa genomgår inte sådana reaktioner; dessa är kända som "stabila" isotoper. Till exempel, de stabila isotoper av kol inkluderar kol 12 (skrivet som 12C för kort, med 6 protoner och 6 neutroner) och kol 13 (13C, med 6 protoner och 7 neutroner).
Sulfid bildas av mikrober som använder sulfat i sin energiomsättning, och detta kan fångas i miljarder år i järnsulfidmineraler som de av FeS2-mineralpyriten på bilden. Ny forskning av Sim och kollegor visar vikten av ett individuellt cellulärt enzym för att kontrollera den slutliga blandningen av svavelisotoper i dessa mineraler, kopplar i sin tur samman biokemi, cellfysiologi, och rekordet av livet på planeten jorden. Kredit:Yuichiro Ueno, ELSI
Alla levande saker, inklusive människor, "äta och utsöndra." Det vill säga, de tar in mat och driver bort avfall. Mikrober äter ofta enkla föreningar som görs tillgängliga av miljön. Till exempel, vissa kan ta upp koldioxid (CO 2 ) som en kolkälla för att bygga sina egna celler. Naturligt förekommande CO 2 har ett ganska konstant förhållande på 12C till 13C. Dock, 12CO 2 är cirka 2 procent lättare än 13CO 2 , alltså 12CO 2 molekyler diffunderar och reagerar något snabbare, och därmed blir mikroberna själva "isotopiskt lätta, " som innehåller mer 12C än 13C, och när de dör och lämnar sina kvarlevor i fossilregistret, deras stabila isotopiska signatur finns kvar, och är mätbar. Den isotopiska kompositionen, eller "signatur, " av sådana processer kan vara mycket specifika för de mikrober som producerar dem.
Förutom kol, det finns andra kemiska grundämnen som är nödvändiga för levande varelser. Till exempel, svavel, med 16 protoner, har tre naturligt rikliga stabila isotoper, 32 S (med 16 neutroner), 33 S (med 17 neutroner) och 34 S (med 18 neutroner). Svavelisotopmönster som efterlämnats av mikrober registrerar alltså historien om biologisk metabolism baserad på svavelinnehållande föreningar tillbaka till cirka 3,5 miljarder år sedan.
Hundratals tidigare studier har undersökt stora variationer i forntida och nutida svavelisotopförhållanden till följd av sulfatmetabolism (en naturligt förekommande svavelförening bunden till fyra syreatomer). Många mikrober kan använda sulfat som bränsle, och i processen utsöndra sulfid, en annan svavelförening (Figur 1). Sulfid-"avfallet" från forntida mikrobiell metabolism lagras sedan i det geologiska registeret, och dess isotopförhållanden kan mätas genom att analysera mineraler som FeS2-mineralkis som visas i figur 2.
Denna nya studie avslöjar ett primärt biologiskt kontrollsteg i mikrobiell svavelmetabolism, och klargör vilka celltillstånd som leder till vilka typer av svavelisotopfraktionering. Detta gör det möjligt för forskare att koppla metabolism till isotoper:Genom att veta hur metabolism förändrar stabila isotopförhållanden, forskare kan förutsäga vilka isotopiska signaturorganismer bör lämna efter sig.
McGlynn förklarar att svavelatomen i APS-molekylen reduceras av Apr-enzymet, leder till den kinetiska isotopfraktioneringen som rapporteras i tidningen. Upphovsman:ELSI
Denna studie ger en del av den första informationen om hur robust forntida liv metaboliserades. Mikrobiell sulfatmetabolism registreras i över 3 miljarder år av svavelisotopförhållanden som är i linje med denna studies förutsägelser, vilket tyder på att livet i själva verket frodades i de gamla haven. Detta arbete öppnar ett nytt forskningsområde, som ELSI docent Shawn McGlynn kallar "evolutionär och isotopisk enzymologi." Genom att använda denna typ av data, forskare kan nu gå vidare till andra element, som kol och kväve, och mer fullständigt koppla den geokemiska posten till cellulära tillstånd och ekologi via en förståelse av enzymutveckling och jordens historia.
