Förhållandet mellan liv och miljön det lever i har många ledtrådar om hur planeten blev beboelig med åren. Planetarisk beboelighet påverkas starkt av solinstrålning och fotonstrålningsflöde, som kopplar planetarisk och stjärnevolution till livets beständighet.

Många av jordens geokemiska proxyposter är ofullständiga. Det är därför det finns begränsningar för att rekonstruera planetariska och solfaktorer som har påverkat beboelighet och samutvecklingen av livet och dess miljöer.

I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften Molecular Biology and Evolution fann forskarna att uråldriga mikrober härledde rikligt med energi från solen utan de komplexa biomolekyler som krävs för fotosyntes med hjälp av protein Rhodopsins. De rekonstruerade utvecklingen av protein, och dessa ansträngningar skulle kunna hjälpa till att känna igen tecken på liv på andra planeter, vars atmosfärer kan mer likna vår planet före syre.

Forntida mikrober utan ozonskikt

De uråldriga mikroberna, inklusive bakterier och encelliga organismer som kallas archaea, bebodde en huvudsakligen oceanisk planet utan ett ozonskikt för att skydda dem från solens strålning. Dessa mikrober utvecklade rhodopsiner som är proteiner med förmågan att omvandla solljus till energi och sedan använda dem för att driva cellulära processer.

"På den tidiga jorden kan energin ha varit väldigt knapp. Bakterier och archaea kom på hur man använder den rikliga energin från solen utan de komplexa biomolekyler som krävs för fotosyntes, säger astrobiolog Edward Schwieterman vid UC Riverside, som är medförfattare till en studie som beskriver forskningen.

Betydelsen av Rhodopsins

Rhodopsiner är släkt med stavar och kottar i mänskliga ögon som gör att vi kan skilja mellan ljust och mörkt och se färger. De är också utbredda bland moderna organismer och miljöer som saltvattendammar, som presenterar en regnbåge av livfulla färger.

"Fotokänsliga proteiner är viktiga mellanhänder som kopplar samman intracellulära kemiska tillstånd, extracellulärt substrattillgänglighet och solinstrålning. Dessa biomolekyler utgör ett lovande system för att spåra uråldriga fysiska parametrar som inte är direkt registrerade i den geologiska posten. Alla kända fototrofiska metabolismer på jorden är beroende av ett av tre energiomvandlande pigment som omvandlar ljusenergi till kemisk energi. Dessa pigment inkluderar klorofyller, bakterioklorofyller och retinal. Retinalbaserade pigmentproteiner, kända som rhodopsiner, har hittats i Archaea, Bakterier, Eukarya och jättevirus." Studien nämner.

Forskare använde maskininlärning för att analysera rhodopsinproteinsekvenser från hela världen och spårade hur de utvecklades över tiden. Sedan skapade de en typ av släktträd som gjorde det möjligt för dem att rekonstruera rhodopsiner för 2.5 till 4 miljarder år sedan och de förhållanden som de sannolikt stod inför.

"Livet som vi känner det är lika mycket ett uttryck för förhållandena på vår planet som det är för livet självt. Vi återupplivade uråldriga DNA-sekvenser av en molekyl, och det gjorde det möjligt för oss att länka till det förflutnas biologi och miljö, säger astrobiologen och studieledaren Betul Kacar vid University of Wisconsin-Madison.

"Det är som att ta DNA från många barnbarn för att reproducera DNA- av deras morföräldrar. Bara det är inte morföräldrar, utan små saker som levde för miljarder år sedan, över hela världen, säger Schwieterman.

Moderna rhodopsiner absorberar blått, grönt, gult och orange ljus och kan se rosa, lila eller röda ut på grund av ljuset som de inte absorberar eller kompletterande pigment. Men enligt teamets rekonstruktioner var gamla rhodopsiner inställda för att absorbera huvudsakligen blått och grönt ljus.

Eftersom den antika jorden ännu inte hade fördelen av ett ozonskikt, teoretiserar forskargruppen att miljarder år gamla mikrober levde många meter ner i vattenpelaren för att skydda sig från intensiv UVB-strålning på ytan.

Blått och grönt ljus penetrerar bäst vatten, så det är troligt att de tidigaste rhodopsinerna i första hand absorberade dessa färger. "Det här kan vara den bästa kombinationen av att vara avskärmad och fortfarande kunna absorbera ljus för energi", sa Schwieterman.

Efter den stora oxidationshändelsen, för mer än 2 miljarder år sedan, började jordens atmosfär uppleva en ökning av mängden syre. Ytterligare syre och ozon i atmosfären fick rhodopsiner att utvecklas för att absorbera ytterligare ljusfärger.

Rhodopsiner kan idag absorbera ljusfärger som klorofyllpigment i växter inte kan. Även om de representerar helt orelaterade och oberoende ljusfångningsmekanismer, absorberar de komplementära områden av spektrumet.

"Detta tyder på samevolution, genom att en grupp organismer utnyttjar ljus som inte absorberas av den andra," sa Schwieterman. "Detta kan ha berott på att rhodopsiner utvecklades först och skärmade bort grönt ljus, så klorofyller utvecklades senare för att absorbera resten. Eller så kunde det ha hänt tvärtom."

Teamet hoppas kunna återuppliva modellrhodopsiner i ett laboratorium med hjälp av syntetiska biologiska tekniker.

"Vi konstruerar det forntida DNA i moderna genom och omprogrammerar insekterna så att de beter sig som vi tror att de gjorde för miljoner år sedan. Rhodopsin är en utmärkt kandidat för laboratoriestudier av tidsresor, säger Kacar.

I slutändan är teamet nöjda med de möjligheter till forskning som öppnats av de tekniker de använde för denna studie.

Begränsning av studien

Eftersom andra tecken på liv från det djupa geologiska förflutna behöver bevaras fysiskt och endast vissa molekyler är mottagliga för långsiktig bevarande, finns det många aspekter av livets historia som inte har varit tillgängliga för forskare förrän nu.

Studiens betydelse

"Vår studie visar för första gången att enzymers beteendehistoria är mottagliga för evolutionär rekonstruktion på ett sätt som konventionella molekylära biosignaturer inte är," sa Kacar.

Teamet hoppas att deras forskning kan hjälpa till att söka efter livstecken på andra planeter.

"Den tidiga jorden är en främmande miljö jämfört med vår värld idag. Att förstå hur organismer här har förändrats med tiden och i olika miljöer kommer att lära oss avgörande saker om hur man söker efter och känner igen liv på andra håll, säger Schwieterman.

Tidskriftsreferens

1. Cathryn D. Sephus, Evrim Fer, Amanda K. Garcia, Zachary R. Adam, Edward W. Schwieterman, Betul Kacar. De tidigaste fotografiska zonnischerna undersökt av förfäders mikrobiella Rhodopsins. Molecular Biology and Evolution, volym 39, nummer 5, maj 2022, msac100, DOI: 10.1093/molbev/msac100