16 февраля 2015 года на сайте журнала Nature была опубликована статья, описывающая новые данные по происхождению ключевого для развития жизни на Земле фермента — нитрогеназы. Один из авторов этого исследования, PhD Ева Стюекен из Вашингтонского университета, прокомментировала результаты работы для англоязычного издания ИД «ПостНаука» Serious Science.

Что произошло

Азот — один из основных элементов жизни на Земле, потому что является важным компонентом ДНК и белков. В основном азот в воздухе представлен газом N2, однако большинство организмов не имеют доступа к этой форме азота. Люди, к примеру, вынуждены получать весь необходимый азот из органических соединений в еде. Однако в самом низу пищевой цепочки бактерии научились перерабатывать газ N2 в органический азот. Этот процесс называется азотфиксацией, которая в основном и снабжает биосферу Земли, включая нас, жизненно важными азотными соединениями.

Чтобы совершить азотфиксацию, эти бактерии должны вырабатывать специальный фермент, называемой нитрогеназой, который разлагает N2 на аммоний. В предыдущих исследованиях ученые пытались восстановить генетическую историю или генеалогию нитрогеназы и пришли к выводу, что этот фермент появился где-то между 1,5 и 2,2 миллиардами лет назад.

Рекомендуем по этой теме:
15547
FAQ: Добиологическая эволюция

Этот вывод представляет собой проблему, потому у нас есть достоверные доказательства того, что жизнь на Земле существует по крайней мере 3,5 миллиарда лет. Это означает, что если нитрогеназа возникла в результате эволюции только 2,2 миллиарда лет назад, то в течение периода, превышающего миллиард лет, организмы вынуждены были полагаться на абиотические источники метаболизируемого азота вроде молнии или вулканизма, когда небольшие количества N2 превращались в нитрат или аммоний. Таким образом, биосфера могла быть очень ограниченной.

В нашем исследовании мы попытались решить эту головоломку, изучив соотношение изотопов азота в древних камнях. У азота есть два изотопа — 15N и 14N, и во многих химических реакциях более легкий изотоп вступает в реакцию быстрее, чем более тяжелый. Это называется фракционированием изотопов.

В ходе биологической азотфиксации, впрочем, это фракционирование характерно мало. По этой причине в биосфере, где большинство организмов получают азот при помощи нитрогеназы, соотношение 15N к 14N в биомассе неотличимо от того, что наблюдается в газе N2 в воздухе. Это стало известно уже давно, и этот факт повсеместно используется учеными, теми, кто занимается исследованиями современной или древней окружающей среды.

Новизна нашей работы заключается в том, что мы подобрали одни из самых древних хорошо сохранившихся камней на Земле, чтобы вычислить соотношение 15N к 14N в древней органике, и получили весомое доказательство биологической азотфиксации, осуществленной 3,2 миллиарда лет назад. Это означает, что фермент нитрогеназа куда более «стар», чем предполагалось ранее, и что биосфера ранней Земли не страдала от «азотного кризиса». Можно даже предположить, что нитрогеназа появилась эволюционным путем сразу после возникновения жизни и что, возможно, условия для развития этого фермента существуют и на других планетах.

Предыстория

Хорошо сохранившиеся древние камни трудно найти, так как тектоническая деформация и воздействие атмосферы способны уничтожить первоначальные признаки жизни. Нам повезло, что конкретно эти камни, которые мы анализировали, были добыты исследовательскими компаниями, которые в коммерческих целях искали залежи минералов под землей. Это дало нам доступ к образцам древних каменных отложений, все еще содержащих немного органики из организмов, которые были живы при формировании этих отложений.

Первоначально мы получили эти образцы для другого проекта, пытаясь обнаружить другие следы жизни, но скоро мы поняли, что они предоставили нам уникальную возможность изучить эволюционную историю круговорота биологического азота. Наша лаборатория была заинтересована в метаболизме азота в течение длительного времени, однако ранее в своих исследованиях мы фокусировались на взаимодействии азота и кислорода в более поздних морских отложениях. Считается, что кислород стал играть важную роль в круговороте азота 2,5 миллиарда лет назад. Так что нашим изначальным планом было проверить, действительно ли там отсутствуют признаки кислорода, датируемые более ранними периодами. То, что мы обнаружили, действительно оказалось признаком бескислородного мира, однако такого мира, где фермент нитрогеназа уже эволюционировал.

Перспективы

Мы надеемся, что наше исследование вдохновит других ученых и фондовые агентства добраться до еще более старых камней, то есть применить этот подход к образцам из еще более далекого прошлого. Во-вторых, наше новое ограничение по возрасту возникновения нитрогеназы до 3,2 миллиардов лет окажется полезным генетикам и поможет реконструировать возникновение данного и других ферментов с большей точностью. Также, если источник азота в биосфере существовал на раннем этапе развития жизни, следующим шагом будет поиск циклов других питательных веществ, которые могли сдерживать развитие биосферы на ранней Земле или где-либо еще.