Каждый живой организм использует крошечные количества металлов для выполнения биологических функций, включая дыхание, транскрипцию ДНК, превращение пищи в энергию или целый ряд важнейших жизненных процессов.
Жизнь использовала металлы таким образом с тех пор, как одноклеточные организмы плавали в самых ранних океанах Земли. Почти половина ферментов — белков, которые осуществляют химические реакции в клетках — внутри организмов требуют металлов, многие из которых являются переходными металлами, названными по месту, которое они занимают в периодической таблице.
Теперь группа ученых из Мичиганского университета, Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе утверждает, что железо было самым ранним и единственным переходным металлом жизни. Их исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Мы выдвигаем радикальное предложение: железо было изначальным и единственным переходным металлом жизни», — говорит соавтор исследования Джена Джонсон из UM. «Мы утверждаем, что жизнь полагалась только на металлы, с которыми она могла взаимодействовать, а богатый железом ранний океан сделал бы другие переходные металлы по сути невидимыми».
Чтобы проверить эту идею, Джонсон присоединился к профессору Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джоан Валентайн и исследователю Калифорнийского технологического института Теду Презенту.
Бионеорганический химик, Валентайн заинтересовалась тем, как самая ранняя жизнь эволюционировала от микроскопических размеров до распространения сложных организмов, которые существуют сегодня. В частности, она задавалась вопросом, какие металлы были включены в ферменты на ранней стадии жизни, чтобы организмы могли выполнять необходимые жизненные процессы. Она неоднократно слышала, как другие исследователи говорили, что в первой половине истории Земли океаны были полны железа.
«Вы должны понимать, что в моей области биохимии и бионеорганической химии, в медицине и в жизни железо является микроэлементом. Это элементы, которые присутствуют только в небольших количествах», — сказал Валентайн. «Когда эти ребята сказали мне, что железо не является микроэлементом, это взорвало мне мозг».
Джонсон, чья группа изучает железные формации и раннюю биогеохимию океана, и Тед Презент были знакомы с геологическими свидетельствами, свидетельствующими о том, что ранние океаны были богаты железом, в частности, ионом железа под названием Fe(II). Fe(II) легко растворяется в воде и, вероятно, был основным металлом, обнаруженным в океанах в архейский эон, геологический период времени, который начался около 4 миллиардов лет назад и закончился около 2,5 миллиардов лет назад.
Конец архейского эона был отмечен так называемым Великим событием оксигенации. В это время жизнь развила способность осуществлять фотосинтез с образованием кислорода. По словам исследователей, в течение следующего миллиарда лет океан Земли превратился из богатого железом бескислородного моря в современный насыщенный кислородом водоем. Это также окислило Fe(II) до Fe(III), сделав его нерастворимым.
Хотя Джонсон и Презент утверждают, что геологи знали о повсеместном распространении железа на Земле в то время, только после разговора с Валентайном они осознали, насколько сильное влияние железо могло оказать на раннюю жизнь.
Чтобы изучить потенциальное воздействие, Презент разработал модель, которая обновила прогнозы концентраций определенных металлов, включая железо, марганец, кобальт, никель, медь и цинк, которые могли быть доступны в океанах Земли, когда зарождалась жизнь. Группа смогла оценить максимальную концентрацию и доступность этих элементов для самой ранней жизни, сказал он.
«Самое радикальное изменение, когда произошло Великое событие оксигенации, заключалось не в концентрации других микроэлементов», — сказал Презент. «Самым радикальное изменение произошло в снижении концентрации растворенного железа. Последствия того, что это означало для жизни и как она «видит» элементы в воде, на самом деле не обсуждались».
После того, как группа определила, какие металлы были доступны в ранних океанах, они исследовали, с какими металлами простые биомолекулы могли связываться в этих богатых железом растворах.
«Мы поняли, что железо должно выполнять почти всю работу», — говорит Джонсон. «Биомолекулы могли бы захватывать магний и железо, но цинк туда не попадает — возможно, никель может попасть в некоторые биомолекулы при определенных обстоятельствах, но цинк не конкурентоспособен. Кобальт невидим. Марганец практически невидим. Эта разница в концентрации железа в океанах на порядок величины оказала действительно ощутимое влияние на то, что биомолекулы могут «видеть» и связывать из окружающей среды».
Чтобы определить, будет ли железо работать в металлоферментах, которые в настоящее время зависят от других металлов, Валентайн и Джонсон изучили научную литературу, чтобы выяснить, как жизнь использует некоторые металлы сегодня.
В каждом случае они нашли примеры того, как можно заменить железо или магний. Хотя металлофермент может использовать определенный вид металла, например цинк, они обнаружили, что это не означает, что это единственный металл, который может использовать фермент.
«Цинк и железо — действительно яркий пример, потому что цинк сейчас абсолютно необходим для жизни», — сказала Валентайн. «Мне было очень трудно представить себе жизнь без цинка, пока мы не углубились в это и не поняли, что пока вокруг нет кислорода, который окисляет железо из Fe(II) в Fe(III), железо часто лучше цинка в этих ферментах».
Презент сказал, что после того, как железо окислилось и перестало быть столь биологически доступным, как до Великого события оксигенации, жизни пришлось искать другие металлы, чтобы подключить их к своим ферментам.
«Жизнь, столкнувшись с большим количеством железа, чем других металлов, не могла знать, как развиться в сторону столь сложного способа управления ими», — сказал Презент. «Сокращение количества железа заставило жизнь управлять этими другими металлами, чтобы выжить, но это также позволило реализовать новые функции и разнообразие жизни, которое мы имеем сегодня».
