|
Железо было первичным металлом жизни
|
|
|
|
Каждый живой организм использует небольшое количество металлов для выполнения биологических функций, включая дыхание, расшифровку ДНК, превращение пищи в энергию или любое другое количество жизненно важных процессов.
|
|
|
|
Жизнь использовала металлы таким образом с тех пор, как одноклеточные организмы плавали в первых океанах Земли. Почти половина ферментов — белков, которые осуществляют химические реакции в клетках, — в организме нуждаются в металлах, многие из которых являются переходными металлами, названными так из-за места, которое они занимают в периодической таблице Менделеева.
|
|
|
|
Теперь группа ученых из Мичиганского университета, Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе утверждает, что железо было самым ранним и единственным переходным металлом в жизни. Их исследование под названием "Железо: первичный переходный металл в жизни" опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
|
|
|
|
"Мы выдвигаем радикальное предложение: железо было изначальным и единственным переходным металлом в жизни", - сказала Джена Джонсон, доцент кафедры наук о земле и окружающей среде Калифорнийского университета. "Мы утверждаем, что жизнь зависела только от металлов, с которыми она могла взаимодействовать, а богатый железом древний океан делал другие переходные металлы практически невидимыми".
|
|
|
Чтобы проверить эту идею, Джонсон присоединился к профессору Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джоан Валентайн и исследователю Калифорнийского технологического института Теду Презенту.
|
|
|
|
Валентайн, химик-биоорганик, заинтересовалась тем, как древнейшие формы жизни эволюционировали от микроскопических до современных сложных организмов. В частности, ее интересовало, какие металлы входили в состав ферментов на ранней стадии развития, чтобы организмы могли осуществлять необходимые жизненные процессы. Она неоднократно слышала, как другие исследователи говорили, что в течение первой половины истории Земли океаны были полны железа.
|
|
|
|
"Вы должны понимать, что в моей области биохимии и бионеорганической химии, в медицине и в быту железо является микроэлементом. Это элементы, которые присутствуют лишь в небольших количествах", - сказал Валентайн. "Когда эти ребята сказали мне, что железо не является микроэлементом, это поразило меня".
|
|
|
|
Джонсон, чья группа изучает железистые образования и биогеохимию раннего океана, и присутствующий при этом Тед были знакомы с геологическими данными, свидетельствующими о том, что ранние океаны были богаты железом, в частности, ионом железа, называемым Fe(II). Железо (II) легко растворяется в воде и было основным металлом, обнаруживаемым в океанах в архейскую эпоху, геологический период, который начался около 4 миллиардов лет назад и закончился около 2,5 миллиардов лет назад.
|
|
|
|
Конец архейского периода был отмечен так называемым Великим процессом насыщения кислородом. В это время жизнь развила способность осуществлять фотосинтез, производящий кислород. По словам исследователей, в течение следующего миллиарда лет океан Земли превратился из богатого железом бескислородного моря в современный водоем, насыщенный кислородом. Это также привело к окислению железа (II) в железо (III), что сделало его нерастворимым.
|
|
|
|
Хотя Джонсон и Презент сказали, что геологи знали о повсеместном распространении железа на Земле в то время, только когда они начали беседовать с Валентайном, они поняли, насколько большое влияние железо могло оказать на раннюю жизнь.
|
|
|
|
Чтобы изучить потенциальное воздействие, компания Present разработала модель, которая обновила прогнозы концентраций определенных металлов, включая железо, марганец, кобальт, никель, медь и цинк, которые могли быть доступны в океанах Земли на момент зарождения жизни. По его словам, группа смогла оценить максимальную концентрацию и доступность этих элементов для самых ранних периодов жизни.
|
|
|
|
"По мере того, как происходило интенсивное насыщение кислородом, на самом деле менялась не концентрация этих других микроэлементов", - сказал Презент. "Самым существенным изменением было снижение концентрации растворенного железа. Последствия этого для жизни и то, как она "видит" элементы в воде, на самом деле не рассматривались."
|
|
|
|
Как только группа определила, какие металлы были доступны в ранних океанах, они исследовали, с какими металлами могли связываться простые биомолекулы в этих богатых железом растворах.
|
|
|
|
"Мы поняли, что железо должно выполнять практически все функции", - сказал Джонсон.
|
|
|
|
"Биомолекулы могут захватывать магний и железо, но цинк не проникает в них. Возможно, никель может проникать в некоторые биомолекулы при определенных обстоятельствах, но цинк неконкурентоспособен. Кобальт невидим. Марганец практически незаметен. Разница в концентрации железа в океанах, достигающая порядка величины, оказала действительно ощутимое влияние на то, какие биомолекулы могут "видеть" и связывать из окружающей среды."
|
|
|
|
Чтобы определить, будет ли железо работать в металлоэнзимах, которые в настоящее время используют другие металлы, Валентайн и Джонсон изучили научную литературу, чтобы выяснить, как сегодня в жизни используются определенные металлы.
|
|
|
|
В каждом случае они находили примеры того, как можно заменить железо или магний. Хотя металлоэнзим может использовать определенный вид металла, такой как цинк, они обнаружили, что это не означает, что это единственный металл, который может использовать фермент.
|
|
|
|
"Цинк и железо - это действительно яркий пример, потому что цинк сейчас абсолютно необходим для жизни", - сказал Валентайн. "Мне было действительно трудно представить себе жизнь без цинка, пока мы не углубились в это дело и не поняли, что пока у вас нет кислорода для окисления железа из Fe(II) в Fe(III), в этих ферментах железа часто больше, чем цинка".
|
|
|
|
Присутствующий сказал, что, как только железо окислилось и перестало быть таким биологически доступным, каким оно было до Великого события насыщения кислородом, жизнь вынуждена была искать другие металлы, которые могли бы использоваться в ее ферментах.
|
|
|
|
"Жизнь, в которой железа на порядки больше, чем других металлов, не могла знать, что эволюционирует к такому сложному способу управления ими", - сказал Презент. "Сокращение запасов железа вынудило жизнь использовать эти другие металлы для выживания, но это также способствовало появлению новых функций и разнообразию жизни, которое мы имеем сегодня".
|
|
|
|
Источник
|
