Остановка дыхания планеты: без этого механизма жизнь на Земле не продержалась бы и дня

Учёным удалось заглянуть в глубокое прошлое Земли и восстановить работу фермента, существовавшего миллиарды лет назад. Оказалось, что его ключевое химическое свойство сохранилось без изменений, несмотря на эволюцию жизни и условий на планете. Это открытие меняет подход к изучению ранней биосферы и поиску следов жизни за пределами Земли. Об этом сообщает журнал Nature Communications.

Фермент, переживший миллиарды лет

В центре исследования оказалась нитрогеназа — фермент, без которого невозможна фиксация атмосферного азота. Этот процесс позволяет микроорганизмам превращать недоступный большинству живых существ газ в аммиак, служащий основой для синтеза белков и ДНК. Ранее учёные уже показывали, что нитрогеназа существовала уже 3 миллиарда лет назад, что делает её одной из древнейших биохимических систем на планете.

Азот — один из фундаментальных элементов жизни, однако лишь ограниченное число микроорганизмов умеет напрямую использовать его из атмосферы. Именно они поддерживают экосистемы, особенно в условиях, когда доступных форм азота мало.

Когда нитрогеназа перестаёт работать, замедляется рост растений, нарушаются пищевые цепочки и снижается общая продуктивность биосферы. Поэтому понимание её древнего поведения имеет ключевое значение для реконструкции истории жизни.

Как учёные воссоздали древнюю биохимию

Команда под руководством Бетюль Качар из Университета Висконсина в Мэдисоне пошла необычным путём. Вместо поиска редких окаменелостей исследователи восстановили древние гены нитрогеназы с помощью методов синтетической биологии.

Реконструированные гены были внедрены в современную бактерию Azotobacter vinelandii — организм, способный фиксировать азот и устойчивый к кислороду. После замены собственных ферментных компонентов бактерии начали использовать "инструкции" из далёкого прошлого.

Далее учёные измерили соотношение тяжёлых и лёгких изотопов азота в клеточном материале. Оказалось, что изотопный след древних и современных ферментов практически совпадает, даже если их разделяют более двух миллиардов лет эволюции. Подобные результаты усиливают аргументы в пользу того, что стабильные химические маркеры могут быть важны для понимания происхождения жизни и ранней эволюции биосферы.

Почему изотопный след так важен

В горных породах возрастом около 3,2 миллиарда лет давно обнаружены характерные соотношения изотопов азота. Геологи используют их как биосигнатуру — признак того, что в древности здесь действовали живые организмы.

Однако долгое время оставался открытым вопрос: можно ли доверять этим данным, если сами ферменты со временем менялись. Новая работа показывает, что ключевая химическая особенность нитрогеназы оставалась стабильной, даже когда скорость реакций и структура белка эволюционировали.

"Как астробиологи, мы полагаемся на понимание нашей планеты, чтобы понять жизнь во Вселенной", — говорит исследователь Бетюль Качар.

Это означает, что изотопы азота можно рассматривать как надёжный маркер биологической активности на протяжении геологического времени, а не как изменчивый показатель.

Значение для геологии и астробиологии

Стабильность изотопного сигнала особенно важна для эпохи до Великого окислительного события, когда в атмосфере Земли почти не было кислорода. В те времена именно азотфиксирующие микроорганизмы поддерживали работу экосистем.

Результаты исследования повышают точность интерпретации древних пород и помогают отделить подлинные биологические сигналы от более поздних химических изменений. Кроме того, стабильные биосигнатуры представляют особый интерес для НАСА: марсоходам и посадочным аппаратам нужны химические признаки, которые способны сохраняться миллиарды лет, чтобы судить о возможной жизни на Марсе и других планетах.

Что остаётся неизвестным

Авторы подчёркивают, что реконструированные ферменты представляют лишь одну эволюционную ветвь нитрогеназы. Лабораторные условия также не полностью воспроизводят температуру, давление и состав океанов ранней Земли.

Следующим шагом станет поиск ответа на вопрос, почему именно этот изотопный контроль оказался "неприкосновенным", тогда как другие свойства фермента продолжали меняться. Это поможет избежать чрезмерной интерпретации отдельных сигналов и улучшить методы поиска жизни вне Земли.

Связывая лабораторную биологию с данными по древним породам, исследование показывает, что одна из ключевых реакций жизни сохранила неизменный химический почерк. В будущем подобный подход могут применить и к другим ферментам, приближая учёных к более точному пониманию того, где и как могла возникнуть жизнь.