Uralte Mikroben können uns helfen, außerirdische Lebensformen zu finden

Unter Verwendung von lichteinfangenden Proteinen in lebenden Mikroben haben Wissenschaftler rekonstruiert, wie das Leben einiger der frühesten Organismen der Erde aussah. Diese Bemühungen könnten uns dabei helfen, Lebenszeichen auf anderen Planeten zu erkennen, deren Atmosphäre unserem Prä-Sauerstoff-Planeten eher ähneln könnte.

Die frühesten Lebewesen, darunter Bakterien und einzellige Organismen namens Archaeen, bewohnten einen hauptsächlich ozeanischen Planeten ohne eine Ozonschicht, die sie vor der Sonnenstrahlung schützt. Diese Mikroben entwickelten Rhodopsine – Proteine ​​mit der Fähigkeit, Sonnenlicht in Energie umzuwandeln und sie zum Antreiben zellulärer Prozesse zu nutzen.

„Auf der frühen Erde war Energie möglicherweise sehr knapp. Bakterien und Archaeen haben herausgefunden, wie sie die reichlich vorhandene Sonnenenergie ohne die für die Photosynthese erforderlichen komplexen Biomoleküle nutzen können“, sagte der Astrobiologe Edward Schwieterman von der UC Riverside, der Mitautor einer Studie ist die Forschung beschreiben.

Rhodopsine sind mit Stäbchen und Zapfen im menschlichen Auge verwandt, die es uns ermöglichen, zwischen hell und dunkel zu unterscheiden und Farben zu sehen. Sie sind auch unter modernen Organismen und Umgebungen wie Salzteichen weit verbreitet, die einen Regenbogen aus leuchtenden Farben präsentieren.

Mithilfe von maschinellem Lernen analysierte das Forschungsteam Rhodopsin-Proteinsequenzen aus der ganzen Welt und verfolgte, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelt haben. Dann erstellten sie eine Art Stammbaum, der es ihnen ermöglichte, Rhodopsine vor 2,5 bis 4 Milliarden Jahren und die Bedingungen, denen sie wahrscheinlich ausgesetzt waren, zu rekonstruieren.

Ihre Ergebnisse werden in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben Molekularbiologie und Evolution.

„Das Leben, wie wir es kennen, ist ebenso ein Ausdruck der Bedingungen auf unserem Planeten wie des Lebens selbst. Wir haben alte DNA-Sequenzen eines Moleküls wiederbelebt, und es hat uns ermöglicht, eine Verbindung zur Biologie und Umwelt der Vergangenheit herzustellen“, sagte er Betul Kacar, Astrobiologin und Studienleiterin an der University of Wisconsin-Madison.

„Es ist, als würde man die DNA vieler Enkelkinder nehmen, um die DNA ihrer Großeltern zu reproduzieren. Nur sind es nicht die Großeltern, sondern winzige Dinge, die vor Milliarden von Jahren auf der ganzen Welt gelebt haben“, sagte Schwieterman.

Moderne Rhodopsine absorbieren blaues, grünes, gelbes und orangefarbenes Licht und können aufgrund des Lichts, das sie nicht absorbieren, oder komplementärer Pigmente rosa, violett oder rot erscheinen. Den Rekonstruktionen des Teams zufolge waren alte Rhodopsine jedoch darauf abgestimmt, hauptsächlich blaues und grünes Licht zu absorbieren.

Da die alte Erde noch nicht über eine Ozonschicht verfügte, vermutet das Forscherteam, dass Milliarden Jahre alte Mikroben viele Meter tief in der Wassersäule lebten, um sich vor der intensiven UVB-Strahlung an der Oberfläche zu schützen.

Blaues und grünes Licht dringt am besten in Wasser ein, daher ist es wahrscheinlich, dass die frühesten Rhodopsine hauptsächlich diese Farben absorbierten. „Dies könnte die beste Kombination sein, abgeschirmt zu sein und dennoch Licht für Energie zu absorbieren“, sagte Schwieterman.

Nach dem großen Oxidationsereignis vor mehr als 2 Milliarden Jahren begann die Erdatmosphäre einen Anstieg der Sauerstoffmenge zu erfahren. Mit zusätzlichem Sauerstoff und Ozon in der Atmosphäre entwickelten sich Rhodopsine, um zusätzliche Lichtfarben zu absorbieren.

Rhodopsine sind heute in der Lage, Lichtfarben zu absorbieren, die Chlorophyllpigmente in Pflanzen nicht können. Obwohl sie völlig unabhängige und unabhängige Lichterfassungsmechanismen darstellen, absorbieren sie komplementäre Bereiche des Spektrums.

„Dies deutet auf Koevolution hin, da eine Gruppe von Organismen Licht nutzt, das von der anderen nicht absorbiert wird“, sagte Schwieterman. „Das könnte daran gelegen haben, dass sich zuerst Rhodopsine entwickelt und das grüne Licht ausgeblendet haben, sodass sich später Chlorophylle entwickelt haben, um den Rest zu absorbieren. Oder es könnte umgekehrt passiert sein.“

In Zukunft hofft das Team, Modell-Rhodopsine in einem Labor unter Verwendung von Techniken der synthetischen Biologie wiederzubeleben.

„Wir konstruieren die alte DNA in modernen Genomen und programmieren die Käfer so um, dass sie sich so verhalten, wie wir glauben, dass sie sich vor Millionen von Jahren verhalten haben. Rhodopsin ist ein großartiger Kandidat für Zeitreisestudien im Labor“, sagte Kacar.

Letztendlich freut sich das Team über die Forschungsmöglichkeiten, die sich durch die Techniken eröffnen, die sie für diese Studie verwendet haben. Da andere Lebenszeichen aus der tiefen geologischen Vergangenheit physisch konserviert werden müssen und nur einige Moleküle einer Langzeitkonservierung zugänglich sind, gibt es viele Aspekte der Lebensgeschichte, die der Forschung bisher nicht zugänglich waren.

„Unsere Studie zeigt zum ersten Mal, dass die Verhaltensgeschichten von Enzymen einer evolutionären Rekonstruktion auf eine Weise zugänglich sind, die herkömmliche molekulare Biosignaturen nicht können“, sagte Kacar.

Das Team hofft auch, das, was es über das Verhalten früher Erdorganismen gelernt hat, dazu zu nutzen, den Himmel nach Lebenszeichen auf anderen Planeten abzusuchen.

„Die frühe Erde ist eine fremde Umgebung im Vergleich zu unserer heutigen Welt. Zu verstehen, wie sich Organismen hier im Laufe der Zeit und in verschiedenen Umgebungen verändert haben, wird uns entscheidende Dinge darüber lehren, wie wir anderswo nach Leben suchen und erkennen können“, sagte Schwieterman.