Logo Zephyrnet

Tìm kiếm các dạng sống ngoài Trái đất với sự trợ giúp của các vi sinh vật cổ đại

Ngày:

Mối quan hệ giữa sự sống và môi trường mà nó sinh sống nắm giữ nhiều manh mối về cách hành tinh này trở nên có thể sinh sống được trong những năm qua. Khả năng sinh sống của hành tinh bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự cách ly của mặt trời và thông lượng bức xạ photon, hai yếu tố này liên quan đến sự tiến hóa của hành tinh và sao đối với sự tồn tại của sự sống.

Nhiều hồ sơ ủy nhiệm địa hóa của Trái đất không đầy đủ. Đây là lý do tại sao có những hạn chế trong việc tái tạo các yếu tố hành tinh và mặt trời đã ảnh hưởng đến khả năng sinh sống và sự đồng tiến hóa của sự sống và môi trường của nó.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Molecular Biology and Evolution, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các vi sinh vật cổ đại có nguồn năng lượng dồi dào từ mặt trời mà không cần các phân tử sinh học phức tạp cần thiết cho quá trình quang hợp với sự hỗ trợ của protein Rhodopsins. Họ đã tái tạo lại quá trình tiến hóa của protein và những nỗ lực này có thể giúp nhận ra các dấu hiệu của sự sống trên các hành tinh khác, có bầu khí quyển có thể gần giống với hành tinh tiền oxy của chúng ta hơn.

Vi khuẩn cổ đại không có tầng ôzôn

Các vi sinh vật cổ đại, bao gồm vi khuẩn và các sinh vật đơn bào được gọi là vi khuẩn cổ, sinh sống trên một hành tinh chủ yếu ở đại dương không có tầng ôzôn để bảo vệ chúng khỏi bức xạ của mặt trời. Những vi khuẩn này đã tiến hóa rhodopsins protein với khả năng biến ánh sáng mặt trời thành năng lượng và sau đó sử dụng chúng để cung cấp năng lượng cho các quá trình tế bào.

“Trên Trái đất sơ khai, năng lượng có thể rất khan hiếm. Vi khuẩn và archaea đã tìm ra cách sử dụng nguồn năng lượng dồi dào từ mặt trời mà không cần các phân tử sinh học phức tạp cần thiết cho quá trình quang hợp ”, nhà sinh vật học thiên văn học tại UC Riverside Edward Schwieterman, đồng tác giả của nghiên cứu mô tả nghiên cứu.

Ý nghĩa của Rhodopsins

Rhodopsins có liên quan đến hình que và tế bào hình nón trong mắt người giúp chúng ta phân biệt giữa ánh sáng và bóng tối và nhìn thấy màu sắc. Chúng cũng phân bố rộng rãi giữa các sinh vật và môi trường hiện đại như ao nuôi cá, nơi có cầu vồng với nhiều màu sắc rực rỡ.

“Các protein cảm quang là trung gian chính kết nối các trạng thái hóa học nội bào, tính sẵn có của chất nền ngoại bào và bức xạ mặt trời. Các phân tử sinh học này tạo thành một hệ thống đầy hứa hẹn để theo dõi các thông số vật lý cổ đại không được ghi trực tiếp trong hồ sơ địa chất. Tất cả các quá trình chuyển hóa quang dưỡng đã biết trên Trái đất đều dựa vào một trong ba sắc tố chuyển hóa năng lượng, biến năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Những sắc tố này bao gồm diệp lục, vi khuẩn và võng mạc. Các protein sắc tố dựa trên võng mạc, được gọi là rhodopsins, đã được tìm thấy trong Archaea, Bacteria, Eukarya và virus khổng lồ. " Đề cập nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ máy học để phân tích chuỗi protein rhodopsin từ khắp nơi trên thế giới và theo dõi cách chúng phát triển theo thời gian. Sau đó, họ tạo ra một loại cây gia đình cho phép họ tái tạo lại các rhodopsin từ 2.5 đến 4 tỷ năm trước và những điều kiện mà họ có thể phải đối mặt.

“Sự sống như chúng ta biết, nó là một biểu hiện của các điều kiện trên hành tinh của chúng ta giống như nó là của chính sự sống. Chúng tôi làm sống lại các chuỗi DNA cổ đại của một phân tử và nó cho phép chúng tôi liên kết với sinh học và môi trường của quá khứ, ”nhà sinh vật học thiên văn Đại học Wisconsin-Madison và trưởng nhóm nghiên cứu Betul Kacar cho biết.

“Nó giống như lấy DNA của nhiều cháu để tái tạo DNA của ông bà của họ. Chỉ có điều, đó không phải là ông bà, mà là những thứ nhỏ bé đã sống cách đây hàng tỷ năm, ở khắp nơi trên thế giới, ”Schwieterman nói.

Các rhodopsin hiện đại hấp thụ ánh sáng xanh lam, xanh lục, vàng và cam và có thể xuất hiện màu hồng, tím hoặc đỏ do ánh sáng mà chúng không hấp thụ hoặc các sắc tố bổ sung. Tuy nhiên, theo kết quả tái tạo của nhóm nghiên cứu, những chiếc vòng cổ được điều chỉnh để hấp thụ ánh sáng chủ yếu là xanh lam và xanh lục.

Vì Trái đất cổ đại chưa có tầng ozone nên nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng các vi khuẩn hàng tỷ năm tuổi sống sâu dưới cột nước nhiều mét để che chắn chúng khỏi bức xạ UVB cường độ cao trên bề mặt.

Ánh sáng xanh lam và xanh lục xuyên qua nước tốt nhất, vì vậy có khả năng là những rhodopsin sớm nhất chủ yếu hấp thụ những màu này. “Đây có thể là sự kết hợp tốt nhất giữa việc được che chắn và vẫn có thể hấp thụ ánh sáng cho năng lượng, ”Schwieterman nói.

Sau Sự kiện Ôxy hóa Lớn, hơn 2 tỷ năm trước, bầu khí quyển của Trái đất bắt đầu trải qua sự gia tăng lượng ôxy. Thêm vào ôxy và ôzôn trong khí quyển khiến rhodopsin tiến hóa để hấp thụ thêm màu sắc của ánh sáng.

Rhodopsin ngày nay có khả năng hấp thụ màu sắc của ánh sáng mà các sắc tố diệp lục trong thực vật không thể. Mặc dù chúng đại diện cho các cơ chế thu nhận ánh sáng hoàn toàn không liên quan và độc lập, chúng hấp thụ các vùng bổ sung của quang phổ.

Schwieterman nói: “Điều này cho thấy sự đồng tiến hóa, trong đó một nhóm sinh vật đang khai thác ánh sáng không bị hấp thụ bởi nhóm kia. “Điều này có thể là do rhodopsin phát triển đầu tiên và lọc ra ánh sáng xanh, vì vậy chất diệp lục sau đó phát triển để hấp thụ phần còn lại. Hoặc nó có thể đã xảy ra theo cách khác. ”

Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ hồi sinh rhodopsins mô hình trong phòng thí nghiệm bằng các kỹ thuật sinh học tổng hợp.

“Chúng tôi thiết kế DNA cổ đại bên trong bộ gen hiện đại và lập trình lại các con bọ để hoạt động như chúng tôi tin rằng chúng đã làm hàng triệu năm trước. Rhodopsin là một ứng cử viên sáng giá cho các nghiên cứu du hành thời gian trong phòng thí nghiệm, ”Kacar nói.

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu hài lòng về khả năng nghiên cứu được mở ra bởi các kỹ thuật mà họ đã sử dụng cho nghiên cứu này.

Giới hạn nghiên cứu

Vì các dấu hiệu khác của sự sống từ quá khứ địa chất sâu xa cần được bảo tồn về mặt vật lý và chỉ một số phân tử có thể bảo tồn lâu dài, nên có nhiều khía cạnh của lịch sử sự sống mà các nhà nghiên cứu cho đến nay vẫn chưa thể tiếp cận được.

Tầm quan trọng của nghiên cứu

Kacar cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên chứng minh rằng lịch sử hành vi của các enzym có thể phục hồi để tái tạo tiến hóa theo những cách mà các giải phẫu sinh học phân tử thông thường không làm được”.

Nhóm hy vọng nghiên cứu của họ có thể giúp tìm kiếm các dấu hiệu sự sống trên các hành tinh.

“Trái đất sơ khai là một môi trường xa lạ so với thế giới của chúng ta ngày nay. Việc hiểu được các sinh vật ở đây đã thay đổi như thế nào theo thời gian và trong các môi trường khác nhau sẽ dạy cho chúng ta những điều quan trọng về cách tìm kiếm và nhận biết sự sống ở những nơi khác, ”Schwieterman nói.

Tham khảo nhật ký

  1. Cathryn D. Sephus, Evrim Fer, Amanda K. Garcia, Zachary R. Adam, Edward W. Schwieterman, Betul Kacar. Các vị trí thích âm sớm nhất được chứng minh bởi Rhodopsins vi sinh vật tổ tiên. Sinh học phân tử và sự tiến hóa, Tập 39, Số 5, tháng 2022 năm 100, msacXNUMX, DOI: 10.1093 / molbev / msac100
tại chỗ_img

Tin tức mới nhất

tại chỗ_img