Vajon felfedezzük valahol legalább a primitív létformát? Talán az Enceladuson (a Szaturnusz bolygó hatodik legnagyobb holdja) vagy az Európán a Naprendszerünkben, vagy távolabb egy exobolygón? Ahogy egyre jártasabbak leszünk a Naprendszerünk felfedezésében és az exobolygók tanulmányozásában, az egyszerű élet megtalálásának lehetősége egyre inkább kilép a tudományos fantasztikum kreatív birodalmából, és konkrét küldetéstervezésbe megy át. De ahogy közeledik a felfedezés reményteli napja, itt az ideje megkérdezni: hogyan nézhet ki ez a lehetséges élet?
A Riverside-i Kaliforniai Egyetem kutatócsoportja az ősi Földet és annak néhány első lakóját vizsgálta meg, hogy fényt derítsen arra, hogyan nézhet ki az egyszerű élet más világokon, és milyen lehet a légkör arrafelé.
A Föld ma már sokkal másabb, mint amikor még csak a primitív létformáknak adott otthont. A Nagy oxigenizációs esemény (GOE) örökre megváltoztatta a Földet, és elindította azon az úton, hogy azzá a bolygóvá váljon, ami ma, oxigénben gazdag légkörrel és összetett élettel. A GOE előtt a Föld légköre sokkal másabb volt, és a változást az élet okozta. Ez a rövid történet egy fontos tényt szemléltet: az élet és a környezet nagyban összefonódik.
A Föld korai életformái viszonylag energiaszegény környezetben, oxigénszegény légkörben éltek. A napfény volt az egyetlen könnyen hozzáférhető energiaforrás, és jóval a fotoszintézis kialakulása előtt az életformák másképp használták a napfényt. A napenergiát a rodopszin (látóbíbor) nevű fehérjék segítségével fogták be, és ezek a fehérjék egyszerűbb módját jelentették a Nap energiájának felhasználására, mint a bonyolultabb fotoszintézis.
"A korai Földön az energia nagyon kevés lehetett. A baktériumok és az archeák (korábbi, elavult nevükön ősbaktériumok) rájöttek arra, hogyan használják fel a Napból származó bőséges energiát a fotoszintézishez szükséges bonyolult biomolekulák nélkül" - mondta Edward Schwieterman, a UC Riverside asztrobiológusa.
Hasznosságukat bizonyítja, hogy a rodopszinok nem tűntek el az őket létrehozó korai életformákkal együtt. Ma is széles körben elterjedtek az élőlényekben, beleértve minket is. Szemünk retinájának pálcikáiban vannak jelen, ahol a gyenge fényben való látásért felelősek. A modern, egyszerű életben is megtalálhatóak, például a sós tavakban. Sőt, jelenlétük a modern életben kapcsolatot biztosít a rodopszinok evolúciós történetéhez. A kutatók ezt a kapcsolatot gépi tanulás és fehérje szekvenálás segítségével vizsgálták. Ezen eszközökkel a geológiai időskálákon keresztül visszakövették a fehérjék evolúcióját.
Ha most körülnézünk a Föld életében és légkörében, az nem jó támpont arra nézve, milyen lehet az élet más világokon, mivel a jelenlegi légkörünk oxigénben gazdag. Egyes kutatások szerint a korai Föld légköre inkább a Vénuszéhoz lehetett hasonló. A rodopszinok fejlődésének nyomon követésével az új tanulmány szerzői felépítették a fehérjék családfáját, így a rodopszinokat 2,5 és 4 milliárd évvel ezelőttről tudták rekonstruálni.
Mivel az élet utáni kutatásunk nagy része a bolygók légkörére összpontosít, bizonyos légköri molekulák bio-markerek lehetnek, de ahhoz, hogy megtudjuk, melyek jelezhetik az egyszerű, korai élet jelenlétét, részletesen meg kell ismernünk, milyen volt a Föld korai légköre, amikor a bolygón ilyen élőlények éltek. "Az élet és az általa lakott környezet közötti összetett kapcsolatok megfejtése központi szerepet játszik a bolygók lakhatóságát geológiai időskálákon keresztül meghatározó tényezők rekonstruálásában" - írták a szerzők tanulmányuk elején, és ez megalapozza az általuk bemutatott eredményeket.
"Az általunk ismert élet éppúgy kifejezi a bolygónk körülményeit, mint magát az életet. Egyetlen molekula ősi DNS-szekvenciáit elevenítettük fel, és ez lehetővé tette számunkra, hogy kapcsolatot teremtsünk a múlt biológiájával és környezetével" - mondta a tanulmányt vezető Betul Kacar.
A csapat kutatása párhuzamba állítható a ma elérhető genealógiai vizsgálatokkal. Elküldhetjük a DNS-ünket, és sokat megtudhatunk arról, hogy honnan származunk. "Olyan ez, mintha sok unokától vennénk DNS-t, hogy reprodukáljuk a nagyszülők DNS-ét. Csakhogy nem nagyszülőkről van szó, hanem apró dolgokról, amelyek évmilliárdokkal ezelőtt éltek, szerte a világon" - mondta Schwieterman.
A kutatók az ősi és a modern rodopszinok között az általuk elnyelt fényben fedeztek fel különbségeket. A genetikai rekonstrukciók szerint az ősi rodopszinok elsősorban kék és zöld fényt nyeltek el, míg a modern rodopszinok kék, zöld, sárga és narancssárga fényt. Ez az ősi és a modern Föld közötti környezeti különbségekre utal.
Tudjuk, hogy az ősi Földön nem volt ózonréteg a GOE előtt, amely körülbelül 2,0-2,4 milliárd évvel ezelőtt következett be. Az ózonréteg nem létezhet a légkörben lévő szabad oxigén nélkül, és ózonréteg nélkül a földi élet sokkal több UV-sugárzásnak volt kitéve, mint most. Jelenleg a Föld ózonrétege a Nap UV-sugárzásának 97-99%-át nyeli el.
A kutatók úgy vélik, hogy az ősi rodopszinok kék és zöld - nem pedig a sárga és narancssárga - fény elnyelésére való képessége azt jelenti, hogy az erre támaszkodó élet több méter mélyen élt a vízoszlopban. Az élőlények felett a vízoszlop védte őket a víz felszínén érkező kemény UVB-sugárzástól. A GOE után az ózonréteg nyújtott védelmet a Nap UV-sugárzása ellen, és az élet modernebb, több fényt elnyelni képes rodopszinokat fejlesztett ki. Így a modern rodopszinok a kék és zöld fény mellett sárga és narancssárga fényt is el tudnak nyelni.
A modern rodopszinok képesek elnyelni a fényt, amit a fotoszintetikus klorofillpigmentek nem tudnak. Azaz a modern rodopszinok és a fotoszintézis kiegészítik egymást azáltal, hogy különböző fényt nyelnek el, noha ezek egymástól független mechanizmusok. Ez a kiegészítő kapcsolat egy kis rejtélyt jelent az evolúcióban.
"Ez koevolúcióra utal, amennyiben az élőlények egyik csoportja olyan fényt használ ki, amelyet a másik nem nyel el" - mondta Schwieterman. "Ez azért történhetett, mert a rodopszinok fejlődtek ki először, és kiszűrték a zöld fényt, így a klorofillok később fejlődtek ki a többi fény elnyelésére. Vagy fordítva is történhetett".
A Föld korai életének természetére vonatkozó számos nyomot a geológia tartalmaz. A tudósok folyamatosan tanulmányozzák az ősi kőzeteket, hogy megértsék, hogyan maradt fenn és fejlődött ki a korai élet. Tanulmányozzák a Nap viselkedését is, és azt, hogy energiájából mennyi jutott a bolygó felszínére, ahogy a Föld az idők során változott. Most azonban egy másik eszközzel is rendelkeznek.
"Magában az életben kódolt információ újszerű betekintést nyújthat abba, hogyan tartotta fenn bolygónk a lakhatóságát ott, ahol a geológiai és csillagászati következtetések elmaradnak" - magyarázzák a szerzők a tanulmányukban.
Mit csinálnak a rodopszinok?
Az ősi életben a rodopszinok egyfajta protonpumpaként működtek. A protonpumpa energiagradienst hoz létre egy életformában. Ez elkülönül a fotoszintézistől, amely kémiai energiát termel egy szervezet számára a túléléshez. A protonpumpa és az energiagradiens elektrokémiai potenciálkülönbséget hoz létre a sejtmembránon keresztül. Ez olyan, mint egy akkumulátor, mert a gradiens energiát szolgáltat a későbbi felhasználásra.
A csapat szerint a biomolekulákban kódolt információk segítségével megérthetik azokat a "réseket", ahol az ősi élet túlélhetett, és amelyek sehol sincsenek jelen a paleontológiai feljegyzésekben. Ezeket paleoszenzoroknak nevezték el, amelyek alkalmasak az exobolygókon távolról észlelhető bioszignatúrák azonosítására.
A kutatók szándékában áll szintetikus biológiai technikákat használni az ősi rodopszinok kutatásához, ahhoz, hogy megértsék, hogyan segítették a Föld ősi légkörének kialakulását, és hogyan alakíthatják az exobolygók légkörét. "Az ősi DNS-t a modern genomok belsejébe szereljük, és átprogramozzuk, hogy úgy viselkedjenek, ahogyan szerintünk évmilliókkal ezelőtt viselkedtek. A rodopszin nagyszerű jelölt a laboratóriumi időutazási vizsgálatokhoz" - mondta Kacar.
"Tanulmányunk először mutatja be, hogy az enzimek viselkedéstörténete olyan módon alkalmas az evolúciós rekonstrukcióra, ahogyan a hagyományos molekuláris bioszignatúrák nem" - mondta Kacar.
Minél többet tudunk meg a korai Földről, annál többet tudunk meg más világokról. Ha több bolygón is van élet, valószínűleg mindegyik más-más utat járt be az élet fejlődésében. De a kémia és a mögötte álló fizika terén lesznek párhuzamok. És ahogyan itt a Földön, úgy más világok történetét is az élet és a környezet kölcsönhatásának kell alakítania.
"A környezet és az élet együttes evolúciója a Föld történelmének korai szakaszában modellként szolgál a Naprendszeren kívüli, mikrobák által uralt bolygókon esetleg keletkező univerzális, kimutatható bioszignatúrák előrejelzéséhez" - írják a szerzők a tanulmányukban.
"A korai Föld a mai világunkhoz képest idegen környezetet jelent. Annak megértése, hogy az itteni organizmusok hogyan változtak az idő múlásával és a különböző környezetekben, döntő fontosságú dolgokat fog megtanítani nekünk arról, hogyan keressük és ismerjük fel az életet máshol" - mondta Schwieterman.
