How Hot Were the Oceans When Life First Evolved?

Όταν ομίχλη δημιουργήθηκε στην ατμόσφαιρα της Γης Archean, ο νέος πλανήτης θα μπορούσε να έμοιαζε με την ερμηνεία του καλλιτέχνη - ένα απαλό πορτοκαλί κουκίδα.Credit: Goddard Space Flight Center Francis Reddy / της NASA


Γνωρίζουμε ελάχιστα για τις θερμοκρασίες της επιφάνειας της Γης για τα πρώτα 4 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου της ιστορίας της. Αυτό αποτελεί έναν περιορισμό στην έρευνα προέλευση της ζωής στη Γη και πώς θα μπορούσε να προκύψει σε μακρινούς κόσμους.


Τώρα οι ερευνητές δείχνουν ότι με την ανάσταση αρχαία ένζυμα θα μπορούσαν να υπολογίσει τις θερμοκρασίες στις οποίες αυτοί οι οργανισμοί πιθανότατα εξελίχθηκε πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν πρόσφατα τους ευρήματα στα Πρακτικά περιοδικό της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

«Χρειαζόμαστε μια καλύτερη κατανόηση όχι μόνο το πώς η ζωή εξελίχθηκε πρώτα στη Γη , αλλά το πώς η ζωή και το περιβάλλον της Γης συνεργασία εξελίχθηκε κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών της γεωλογικής ιστορίας,» είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Αμάντα Garcia , ένας paleogeobiologist στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες. «Μια παρόμοια συν-εξέλιξης φαίνεται βέβαιο ότι θα ισχύει για κάθε ζωή αλλού στο σύμπαν.» [ Αρχαία Γη: καταρρεύσει, ραγισμένα και στάζει Magma (Visualization) ]
Διαφήμιση


Γκαρσία και οι συνεργάτες της επικεντρώθηκαν στην ιστορία της θερμοκρασίας της επιφάνειας της Γης. Rocks προσφέρουν πολλά στοιχεία για να συμπεράνουμε θερμοκρασίες κατά τα τελευταία 550 εκατομμύρια χρόνια στο Φανεροζωϊκό Αιώνα εποχή, όταν συγκρότημα, πολυκύτταρους ζωή απογειώθηκε, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Ωστόσο, λίγες τέτοιες « Παλαιο-θερμόμετρα » υπάρχουν για την προηγούμενη Precambrian εποχή, που καλύπτει το σχηματισμό της Γης πριν 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια και την άνοδο της ζωής.

Νωρίτερα γεωλογικά στοιχεία έχουν δείξει ότι 3.500 εκατομμύρια χρόνια πριν, κατά τη διάρκεια της Archean Eon, οι ωκεανοί ήταν 131 μοίρες έως 185 μοίρες F (55 βαθμούς έως 85 βαθμούς C). Μπορούν ψύχθηκε δραματικά με την τρέχουσα μέση θερμοκρασία των 59 βαθμών F (15 βαθμούς C). Οι επιστήμονες έκαναν αυτές τις εκτιμήσεις εξετάζοντας το οξυγόνο και το πυρίτιο ισοτόπων σε θαλάσσια βράχια. Χαλαζία-πλούσια βράχων στο βυθό της θάλασσας, είναι γνωστή ως κερατόλιθους, έχουν υψηλότερα επίπεδα από τα βαρύτερα οξυγόνο-18 και πυριτίου-30 ισότοπα όπως το θαλασσινό νερό κρυώνει. Κατ 'αρχήν, η αναλογία των βαρύτερων σε ελαφρύτερα οξυγόνου και πυριτίου ισότοπα μπορεί να ρίξει φως σε αρχαία θερμοκρασίες.

Αλλά τέτοια Παλαιο-θερμόμετρα δεν λαμβάνουν επαρκώς υπόψη το πώς αυτά τα βράχια ή ο ωκεανός μπορεί να έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια των δισεκατομμυρίων ετών. Ίσως οι ισοτοπικές αναλογίες στο θαλασσινό νερό μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου σε απόκριση προς φυσική ή χημική αλλοιώσεις, όπως το νερό ρέει από τη γη ή από υδροθερμικών.

Λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες, Γκαρσία και οι συνεργάτες της ζήτησε μια ανεξάρτητη μέτρηση της θερμοκρασίας θαλασσινού νερού στην Precambrian που επικεντρώνεται στην συμπεριφορά των βιολογικών μορίων. Οι επιστήμονες εξέτασαν ένα ένζυμο γνωστό ως νουκλεοζίτη διφωσφορική κινάση (NDK), το οποίο βοηθά να χειριστούν τα δομικά στοιχεία του DNA και του RNA, καθώς και πολλές άλλες ρόλους. Οι εκδόσεις αυτής της πρωτεΐνης που βρίσκεται σχεδόν σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, και ήταν πιθανό ζωτικής σημασίας για πολλές εξαφανιστεί οργανισμών καθώς και. Προηγούμενη έρευνα βρήκε μια συσχέτιση μεταξύ των βέλτιστες θερμοκρασίες της πρωτεϊνικής σταθερότητας και της ανάπτυξης ενός οργανισμού.


Η εικόνα στα αριστερά απεικονίζει το τι Γης θα μπορούσε να έμοιαζε περισσότερο από 3 δισεκατομμύρια χρόνια πριν στις αρχές της δεκαετίας Archean. Οι πορτοκαλί σχήματα αντιπροσωπεύουν τα πρωτο-ηπείρους μαγνησίου-πλούσια πριν αρχίσει τεκτονική των πλακών, αν και είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ακριβής σχήματα και τις θέσεις τους. Ο ωκεανός φαίνεται πράσινο λόγω του υψηλού ποσότητα ιόντων σιδήρου στο νερό εκείνη τη στιγμή. Το χρονοδιάγραμμα ίχνη της μετάβασης από ένα ανώτερο ηπειρωτικό φλοιό μαγνησίου-πλούσια σε ανώτερο ηπειρωτικό φλοιό μαγνησίου-φτωχή.Credit: Ming Tang / Πανεπιστήμιο του Maryland

Με τη σύγκριση των μοριακών ακολουθίες των εκδόσεων του NDK σε μια ποικιλία των σύγχρονων ειδών, οι ερευνητές μπορούν να ανακατασκευάσει τις εκδόσεις του NDK που θα μπορούσε να είναι παρούσα σε κοινούς προγόνους τους. Με σύνθεσης αυτών ανακατασκευές, οι επιστήμονες μπορούν να πειραματικά δοκιμαστούν αυτές οι «αναστημένος» αρχαία πρωτεΐνες για να βρει τη θερμοκρασία που σταθεροποιεί την πρωτεΐνη και συναγάγει από αυτό το πιθανό θερμοκρασία που υποστήριξε την αρχαία οργανισμό.

Οι επιστήμονες εκτιμούν όταν αρχαία ένζυμα θα μπορούσε να υπάρξει κοιτάζοντας τα πιο στενοί συγγενείς διαβίωσής τους από τον οργανισμό υποδοχής τους. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των διαφορών στις γενετικές αλληλουχίες αυτών των συγγενών, η πλέον πριν από την περασμένη κοινή σχετική πιθανό έζησε. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτές τις διαφορές για να μετρηθεί η ηλικία των βιομορίων όπως οι ανακατασκευές NDK. [ Το πιο παράξενο Alien Πλανήτες (στοά) ]

Προηγούμενη έρευνα είχε ανακατασκευαστεί αρχαία ένζυμα για να συμπεράνουμε παρελθόν θερμοκρασίες, αλλά μερικά από αυτά τα ένζυμα μπορεί να προέρχονται από οργανισμούς που έζησαν σε ασυνήθιστα ζεστό περιβάλλον, όπως υδροθερμικές βαθέων υδάτων, η οποία δεν θα είναι αντιπροσωπευτικά της ευρύτερης ωκεανό. Αντ 'αυτού, Γκαρσία και οι συνεργάτες της προσπάθησε να ανακατασκευάσει NDK από φυτά της γης και τα φωτοσυνθετικά βακτήρια που ζουν στα ανώτερα ηλιόλουστα βάθη των ωκεανών, προφανώς μακριά από το καυτό πηγές.


Μικροβιακή ύφαλοι που ονομάζεται stromatolites είναι παραδείγματα των βιολογικών δομών που βρίσκονται ήδη από 3.700.000.000 χρόνια πριν.Credit: Pamela Reid, Ph.D., University of Miami Rosenstiel School of Marine και Ατμοσφαιρικής Επιστήμης

Η έρευνά τους δείχνει ότι η επιφάνεια της Γης ψύχεται από περίπου 167 βαθμούς F (75 βαθμούς C) περίπου 3 δισεκατομμύρια χρόνια πριν σε περίπου 95 βαθμούς (35 βαθμούς F) περίπου 420 εκατομμύρια χρόνια πριν. Τα ευρήματα αυτά συμφωνούν με προηγούμενες γεωλογικές και τα αποτελέσματα με βάση ένζυμο.

Γκαρσία είπε μια τέτοια δραματική ψύξη είναι δύσκολο να κατανοήσει κανείς, τονίζοντας πως οι επιστήμονες πρέπει να θυμόμαστε πόσο διαφορετικές συνθήκες ήταν στο παρελθόν, όταν αναφέρονται για το πώς η ζωή εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου.

«Απαιτεί πολλή προσπάθεια για να οραματίζονται έναν κόσμο που δεν φαίνεται να ταιριάζει με την κοινή λογική των τρεχουσών συνθηκών της Γης μας.»

Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να ανακατασκευάσει τις εκδόσεις του NDK από περισσότερους οργανισμούς, καθώς και άλλα ένζυμα, δίνοντας περισσότερα στοιχεία για να υποστηρίξει τη μέθοδο. Η έρευνα αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει «στην επίλυση μεγάλα ερωτήματα για την πρώιμη εξέλιξη της ζωής και του περιβάλλοντος της Γης», είπε.

Η συμμετοχή των σπουδών συν-συγγραφέας J. William Schopf, ιδρυτής του Κέντρου για τη Μελέτη της Εξέλιξης και την προέλευση της ζωής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες, υποστηρίχθηκε από τη συμμετοχή του στο Ουισκόνσιν Αστροβιολογίας της Έρευνας Κοινοπραξία της NASA Ινστιτούτου Αστροβιολογίας της.

Αυτή η ιστορία που παρέχονται από Αστροβιολογίας περιοδικό , μια web-based έκδοση χρηματοδοτήθηκε από την NASA πρόγραμμα αστροβιολογία . Ακολουθήστε μας @Spacedotcom , το Facebook και το Google+ .