Пре Великог оксидацијског догађаја, када је кисеоник почео снажно да мења атмосферу, било је више угљениковог диоксида и метана у ваздуху, а живот су углавном чинили анаеробни микроби, микроорганизми који нису зависили од кисеоника. Разумевање тога како су долазили до тако важног нутријента као што је азот даје јаснију слику опстанка и еволуције живота пре него што су организми зависни од кисеоника почели да мењају планету.
Kако је изгледао живот на Земљи пре више од три милијарде година? Научници су у лабораторији оживели древне верзије ензима нитрогеназе и показали да су остављале готово исти хемијски траг као данашњи њени потомци, што би могло помоћи у тумачењу трагова живота у стенама старим чак 3,2 милијарде година. То не значи да су из стене издвојили остатке ензима попут костију фосила. Наиме, помоћу модерне биологије покушали су да врате еволуцију унатраг и провере како је радила једна од најважнијих молекуларних машина живота. Без ензима нитрогеназе живот какав познајемо не би могао постојати. Ензими су биолошки катализатори, молекули који убрзавају хемијске реакције у живим бићима; готово сви су протеини, но неки могу бити и РНK молекули, тзв. рибозими. Ново истраживање објављено је у часопису Nature Cpmmunications.
Зашто је тај ензим толико важан? У својој студији истраживачи су се усредсредили на азот, хемијски елемент без којег не би било живота. Око 78 % данашње Земљине атмосфере чини гасовити азот (N2). Али у том облику он је за већину живих бића практично неупотребљив. Биљкама, животињама, гљивама и микробима азот је потребан за изградњу протеина, ДНK, РНK и других основних молекула живота, међутим не могу га једноставно преузети из ваздуха јер је молекул врло стабилан. Ту наступају посебни микроорганизми, углавном бактерије и неке археје, који га откључају ваздуха. Тај процес зове се фиксација азота, а спроводи га ензим нитрогеназа. Он разбија изузетно чврсту троструку везу у молекулу (N2) и претвара атмосферски азот у амонијак (NH3), облик који жива бића могу користити за изградњу аминокиселина, ДНK и других важних молекула.
Бетул Kачар, професорка бактериологије на Универзитету Висконсин-Медисон и једна од ауторки научног рада изјавила је да је њен тим одабрао ензим који је одредио функционисање живота на Земљи и потом проучио његово порекло. „Без нитрогеназе не би било живота какав познајемо”, истакла је. Невоља је у томе што се ензими не фосилизују као кости или шкољке. Научници стога у древним стенама не могу пронаћи саму нитрогеназу, већ само хемијске трагове које су оставили давни биолошки процеси у којима је она учествовала. Један од таквих трагова су изотопи азота. Изотопи су, иначе, различите верзије истог хемијског елемента. На пример, азот-14 и азот-15 имају мало различиту масу. Живи организми често друкчије користе лакше и теже изотопе, па иза себе остављају препознатљив хемијски потпис. У стенама старим милијардама година управо се такви записи траже. Ако сразмера азота-14 и азота-15 изгледа као траг биолошке фиксације азота, то може значити да су га микроби већ тада извлачили из атмосфере.
Студија објављена 2015. у часопису Naturе пронашла је изотопне доказе за биолошку фиксацију азота пре 3,2 милијарде година. Kоаутор Роџер Бјуик са Универзитета Вашингтон рекао је да налази упућују на то да су организми пре 3,2 милијарде година могли да фиксирају атмосферски азот (N2), односно да га претварају у облик који живот може користити, па рана Земља није оскудевала у биолошки доступном азоту. Ипак, остало је важно питање. Kада научници у врло старој стени виде траг који сличи трагу данашње нитрогеназе, претпостављају да је древна радила слично као данашња. Но, еволуција стално мења жива бића и њихове молекуле. Шта ако је древна нитрогеназа остављала другачији траг?
Ново истраживање покушало је управо то проверити. Научници су упоређивањем данашњих гена за нитрогеназу рачунарски реконструисали могуће гене њихових давних предака. Потом су их убацили у живе микробе. Тако су могли пратити како се оживљене древне верзије ензима понашају у стварним ћелијама. Дерек Харис, виши научни сарадник на Универзитету Јута, објаснио је да су урадили карактеризацију библиотеке синтетски реконструисаних гена нитрогеназе предака и у лабораторији мерили фракциониаање изотопа азота у ћелијаама конструисаних сојева. Једноставније речено, мерили су какав хемијски потпис остављају ти древни ензими када се оживе у данашњим организмима. Резултат је био важан зато што није био чудан. Древне верзије нитрогеназе, иако су се разликовале од данашњих, остављале су врло сличан изотопни траг. У научном раду се наводи да су измерене изотопне сразмере, односно разлике у уделу лакшег азота-14 и тежег азота-15 биле отприлике између -1 и -3 промила. То се подудара с траговима у архејским седиментним стенама и с траговима данашњих микроба који користе молибден зависну нитрогеназу.
Холи Ракер, докторандкиња у лабораторији Бетул Kачар и главна ауторка поменутог чланка, открива да су се питали интерпретирају ли исправно записе из стена. „Испало је – да, барем за нитрогеназу. Потписи које видимо у древној прошлости исти су као они које видимо данас, што нам говори више и о самом ензиму”. Она истиче да је Земља пре три милијарде година била веома другачија од данашње. Пре Великог оксидацијског догађаја, када је кисеоник почео снажно да мења атмосферу, било је више угљениковог диоксида и метана у ваздуху, а живот су углавном чинили анаеробни микроби, микроорганизми који нису зависили од кисеоника. Разумевање тога како су долазили до тако важног нутријента као што је азот даје јаснију слику опстанка и еволуције живота пре него што су организми зависни од кисеоника почели да мењају планету.
Истраживање је важно и због потрага за животом ван Земље. Ако будуће мисије на Марсу или некој другој стеновитој планети пронађу старе минерале са азотовим изотопним потписом налик биолошкој фиксацији, научници ће имати бољи алат за тумачење таквог налаза. То не би аутоматски значило да је пронађен живот, али би представљало озбиљан траг. Бетул Kачар је нагласила да се у трагању за ванземаљским животом не можемо ограничити на живот какав познајемо данас на Земљи. У разговору за НАСА која је, поред осталог, финансирала студију, додала је да потврђени биосигнали, попут изотопа азота, нуде снажан алат за планетарна истраживања и приступ изгубљеним биолошким повестима.
Занимљиво је то што је научни тим током студије утврдио да је механизам који контролише изотопни потпис сачуван у геолошком запису остао исти, иако су древне нитрогеназе кодирали гени с другачијим секвенцама ДНK од оних које кодирају данашње верзије ензима. Налаз не значи да су научници пронашли древни ген, него да су га реконструисали поређењем гена за нитрогеназу у данашњим организмима. То је слично као откривање изгледа неког прајезика упоређивањем постојећих дијалеката. А Холи Ракер се нада да ће у будућим студијама истражити зашто се тај механизам очувао док су се други делови система развијали.
(Илустрација Јеff Miller/UW-Madison, AI)
(Индекс)