Может ли железо стать ключом к поиску инопланетной жизни в других мирах?

Два исследователя из Оксфордского университета — Хэл Дрейксмит, профессор биологии железа, и Джон Уэйд, адъюнкт-профессор планетных материалов — выдвинули идею о том, что количество железа в других мирах может указывать на возможность существования там сложной жизни.

Наша красная кровь полна железа. Нам нужно железо для роста и иммунитета. Его даже добавляют в продукты питания, такие как злаки, чтобы обеспечить достаточное количество этого питательного вещества в рационе для предотвращения дефицита железа.

Однако в совершенно ином масштабе, во время развития жизни на планете Земля в течение миллиардов лет, дефицит железа мог стимулировать эволюцию. Согласно нашему новому исследованию, опубликованному в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), рост и падение уровня железа на нашей планете, возможно, позволили сложным организмам развиться из более простых предков.

Планеты земной группы в нашей солнечной системе — Меркурий, Венера, Земля и Марс — имеют разное количество железа в своей каменистой мантии, слое под самой внешней планетной корой.

В мантии Меркурия меньше всего железа, а у Марса больше всего. Это изменение связано с разницей в расстоянии от Солнца. Это также связано с различными условиями, при которых планеты изначально сформировали свои металлические, богатые железом ядра.

Количество железа в мантии регулирует несколько планетарных процессов, включая удержание поверхностной воды. А без воды жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не может существовать. Астрономические наблюдения других солнечных систем могут позволить оценить железо мантии планеты, помогая сузить поиск планет, способных дать приют жизни.

Железо не только способствует обитаемости на планете, но и играет фундаментальную роль в биохимии, которая позволяет жизни существовать. Железо обладает уникальной комбинацией свойств, включая способность образовывать химические связи в различных ориентациях и относительную легкость получения или потери одного электрона.

В результате железо опосредует многие биохимические процессы в клетках, особенно обеспечивая катализ — процесс, ускоряющий химические реакции. Жизненно важные для жизни метаболические процессы, такие как синтез ДНК и выработка клеточной энергии, зависят от железа.

В своей работе мы подсчитали количество железа в морях Земли за миллиарды лет. Затем мы рассмотрели влияние на эволюцию огромного количества железа, выпадающего из морей.

Железо сквозь века

Первоначальные события формирования геохимии, эволюционировавшей в биохимию, жизнь, произошли более 4 миллиардов лет назад. И все согласны с тем, что железо было ключевым элементом этого процесса.

Условия на ранней Земле сильно отличались от нынешних. В частности, в атмосфере почти не было кислорода, а это означало, что железо легко растворялось в воде как «двухвалентное железо» (Fe2 +). Обилие питательного железа в первых морях Земли помогло развитию жизни. Однако этот «железный рай» длился недолго.

Великое событие оксигенации привело к появлению кислорода в атмосфере Земли. Это произошло примерно 2,43 миллиарда лет назад. Это изменило поверхность Земли и вызвало глубокую потерю растворимого железа из верхних слоев океана и поверхностных вод планеты.

Второе, более недавнее «событие оксигенации», неопротерозой, произошло между 800 и 500 миллионами лет назад. Это еще больше повысило концентрацию кислорода. В результате этих двух событий кислород в сочетании с железом и гигатоннами окисленного нерастворимого «трехвалентного железа» (Fe3 +) выпал из океанических вод, став недоступным для большинства форм жизни.

Жизнь выработала — и поддерживает — неизбежную зависимость от железа. Утрата доступа к растворимому железу имела серьезные последствия для эволюции жизни на Земле. Поведение, которое оптимизировало получение и использование железа, имело явное избирательное преимущество. Мы все еще можем видеть это в генетическом анализе инфекций сегодня: варианты бактерий, способные эффективно поглощать железо у своих хозяев, за несколько коротких поколений добиваются большего успеха, чем менее способные конкуренты.

Ключевым оружием в этой битве за железо был «сидерофор» — небольшая молекула, вырабатываемая многими бактериями, которая улавливает окисленное железо (Fe3 +). Сидерофоры стали намного более полезными после оксигенации, позволяя организмам усваивать железо из минералов, содержащих окисленное железо. Однако сидерофоры также помогли украсть железо у других организмов, включая бактерии.

Это переключение фокуса с получения железа из окружающей среды на воровство его у других форм жизни создало новую динамику конкурентного взаимодействия между патогенами и их хозяевами.

Благодаря этому процессу обе стороны постоянно развивались, чтобы атаковать и защищать свои железные ресурсы. За миллионы лет этот мощный импульс конкуренции привел к усложнению поведения, в результате чего появились более продвинутые организмы.

Однако другие стратегии, помимо кражи, могут помочь справиться с зависимостью от редких питательных веществ. Одним из таких примеров являются симбиотические отношения сотрудничества, в которых используются общие ресурсы. Митохондрии — это богатые железом, генерирующие энергию машины, которые изначально были бактериями, но теперь находятся в наших клетках.

Множественные клетки, собирающиеся вместе как сложные организмы, позволяют более эффективно использовать редкие питательные вещества, чем одноклеточные организмы, такие как бактерии. Например, люди перерабатывают в день в 25 раз больше железа, чем мы получаем с пищей.

С точки зрения, ориентированной на железо, инфекции, симбиоз и многоклеточность предоставили разные, но элегантные средства для жизненных форм, чтобы противодействовать ограничению железа. Потребность в железе, возможно, повлияла на эволюцию, включая жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.

Земля демонстрирует важность иронии. Сочетание как ранней Земли с биологически доступным железом, так и последующего удаления железа в процессе окисления поверхности обеспечило уникальное давление окружающей среды, облегчая эволюцию сложной жизни из более простых предшественников.

Эти специфические наборы условий и изменений в столь длительных временных масштабах, возможно, необычны на других планетах. Поэтому вероятность того, что другие развитые формы жизни будут обнаружены в нашем космическом районе, может быть низкой. Тем не менее, изучение изобилия железа в других мирах также может помочь нам найти такие редкие миры.

Хэл Дрейксмит, профессор биологии железа, Оксфордский университет, и Джон Уэйд, доцент кафедры планетных материалов, Оксфордский университет.