Наша красная кровь полна железа. Нам нужно железо для роста и иммунитета. Его даже добавляют в продукты питания, чтобы обеспечить достаточное количество этого питательного вещества в рационе для предотвращения дефицита железа.
Однако в совершенно ином масштабе, во время развития жизни на планете Земля в течение миллиардов лет, дефицит железа, возможно, стимулировал эволюцию. Согласно новому исследованию учёных из Оксфордского университета, опубликованному в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), рост и сокращение уровня железа на нашей планете, возможно, позволили сложным организмам эволюционировать от более простых предков.
Планеты земной группы в нашей Солнечной системе — Меркурий, Венера, Земля и Марс — имеют разное количество железа в своей каменистой мантии, слое под самой внешней планетной корой. В мантии Меркурия меньше всего железа, а у Марса — больше всего. Это отличие связано с разницей в расстоянии от Солнца. Это также связано с различными условиями, при которых планеты изначально сформировали свои металлические, богатые железом ядра.
Количество железа в мантии регулирует несколько планетарных процессов, в том числе удержание поверхностных вод. А без воды жизнь в том виде, в каком мы её знаем, существовать не может. Астрономические наблюдения за другими солнечными системами могут позволить оценить содержание железа в мантии планеты, что может помочь сузить круг поиска планет, способных содержать жизнь.
Помимо того, что железо способствует обитаемости планет, оно имеет основополагающее значение для биохимии, которая позволяет возникать жизни. Железо обладает уникальной комбинацией свойств, включая способность образовывать химические связи в различных ориентациях и относительную лёгкость получения или потери одного электрона. В результате железо опосредует многие биохимические процессы в клетках, особенно способствуя катализу — процессу, который ускоряет химические реакции. Жизненно важные для жизни метаболические процессы, такие как синтез ДНК и выработка клеточной энергии, зависят от железа.
В своей работе учёные из Британии подсчитали количество железа в морях Земли за миллиарды лет. Затем они рассмотрели влияние на эволюцию огромного количества железа, выпадающего из морей.
Железо сквозь века
Первоначальные события формирования геохимии, эволюционировавшей в биохимию, жизнь, произошли более 4 миллиардов лет назад. И существует консенсус в отношении того, что железо было ключевым элементом этого процесса. Условия на ранней Земле сильно отличались от нынешних. В частности, в атмосфере почти не было кислорода, а это означало, что железо легко растворялось в воде как «двухвалентное железо» (Fe2+). Обилие питательного железа в первых морях Земли способствовало развитию жизни. Однако этому «железному раю» не суждено было просуществовать долго.
Великое событие оксигенации привело к появлению кислорода в атмосфере Земли. Это произошло примерно 2,43 миллиарда лет назад. Данное явление изменило поверхность Земли и вызвало глубокую потерю растворимого железа из верхних слоев океана и поверхностных вод планеты. Второе, более недавнее «событие оксигенации», неопротерозой, произошло между 800 и 500 миллионами лет назад. В ходе него ещё больше повысилась концентрация кислорода. В результате этих двух событий кислород в сочетании с железом и гигатоннами окисленного нерастворимого «трехвалентного железа» (Fe3+) выпал из океанических вод, став недоступным для большинства форм жизни.
Жизнь выработала — и поддерживает — неизбежную зависимость от железа. Потеря доступа к растворимому железу имела серьёзные последствия для эволюции жизни на Земле. Поведение, которое оптимизировало получение и использование железа, имело явное избирательное преимущество. Мы все ещё можем наблюдать это в генетическом анализе инфекций сегодня: варианты бактерий, способные эффективно поглощать железо от своих хозяев, в течение нескольких коротких поколений добиваются большего успеха, чем их менее способные конкуренты.
Ключевым оружием в этой битве за железо был «сидерофор» — небольшая молекула, вырабатываемая многими бактериями, которая улавливает окисленное железо (Fe3+). Сидерофоры стали намного более полезными после оксигенации, позволяя организмам усваивать железо из минералов, содержащих окисленное железо. Однако сидерофоры также помогали красть железо у других организмов, включая бактерии. Этот переход от приобретения железа из окружающей среды к его краже у других форм жизни создал новую динамику конкурентного взаимодействия между патогенами и их хозяевами. Благодаря этому процессу обе стороны постоянно развивались, чтобы атаковать и защищать свои железные ресурсы. За миллионы лет это мощное конкурентное стремление приводило ко все более сложному поведению, в результате чего появились более развитые организмы.
Однако другие стратегии, помимо воровства, могут помочь справиться с зависимостью от редких питательных веществ. Одним из таких примеров являются симбиотические отношения сотрудничества, в которых используются общие ресурсы. Митохондрии — это богатые железом, генерирующие энергию машины, которые изначально были бактериями, но теперь находятся в наших клетках. Множество клеток, объединяющихся в сложные организмы, позволяют более эффективно использовать редкие питательные вещества, чем одноклеточные организмы, такие как бактерии. Например, люди перерабатывают в день в 25 раз больше железа, чем мы получаем его с пищей. С точки зрения железа, инфекция, симбиоз и многоклеточность предоставили различным, но элегантным формам жизни разные средства для противодействия ограничению железа. Потребность в железе, вполне возможно, повлияла на эволюцию, включая жизнь в том виде, в каком мы её знаем сегодня.
Земля демонстрирует важность железа. Сочетание как ранней Земли с биологически доступным железом, так и последующего удаления железа в процессе окисления поверхности обеспечило уникальное давление окружающей среды, способствующее эволюции сложной жизни из более простых предшественников.
Эти специфические наборы условий и изменений в столь длительных временных масштабах, возможно, необычны на других планетах. Поэтому вероятность того, что другие развитые формы жизни будут обнаружены с нами по соседству, может быть низкой. Тем не менее, изучение изобилия железа в других мирах также может помочь нам найти такие редкие миры.
