V Japonsku bylo objeveno přírodní prostředí, které napodobuje podmínky, za nichž vznikl život na pravěké Zemi.

Vědci našli v japonských horkých pramenech stopy toho, jak vznikl život před vytvořením současné atmosféry

Před více než 2,3 miliardami let byla Země nepřátelským místem. Nebyli tam žádní živočichové, žádné rostliny, žádný kyslík ve vzduchu. Oceány byly tmavé, teplé a bohaté na železo. V tomto prostředí se život teprve začínal formovat. První mikroby se naučily přežívat s využitím omezených dostupných zdrojů. Před vznikem kyslíku bylo železo hlavním zdrojem energie. Tato fáze se navždy změnila s takzvanou velkou oxidační událostí, kdy první sinice začaly uvolňovat kyslík do okolního prostředí. Ale to, jak organismy žily před touto transformací, zůstává záhadou, která fascinuje vědu.

Aby prozkoumala tuto minulost, skupina vědců pod vedením Fatimy Li-Hau z Tokijského institutu vědy studovala pět termálních pramenů v Japonsku. Tyto prameny, které se nacházejí v Akite, Aomori a Tokiu, mají vlastnost, která se v dnešní době vyskytuje jen zřídka: obsahují dvojmocné železo (Fe⁺) – stejný typ železa, který kdysi převládal v oceánech planety . Za běžných podmínek se toto železo při kontaktu s kyslíkem rychle oxiduje, ale v této vodě zůstává stabilní, protože kyslík je prakticky nepřítomný.

Vědci zjistili, že tyto prameny představují přírodní laboratoř, která napodobuje podmínky na pravěké Zemi . Voda v nich má téměř neutrální pH, nízkou slanost a vysoký obsah rozpuštěného železa, což vědcům umožňuje pozorovat interakci mikroorganismů, které se zdají být potomky minulosti. Každý zdroj má však své jedinečné chemické složení a společenství mikroorganismů, jako by každý z nich vyprávěl svůj vlastní příběh o původu života.

Mikroby dýchající železem

Ve čtyřech z pěti zkoumaných zdrojů byly nejrozšířenějšími mikroby bakterie zvané mikroaerofilní oxidanty železa . Jedná se o organismy, které žijí v prostředí chudém na kyslík a získávají energii přeměnou dvojmocného železa na trojmocné. Jedná se o bakterie, které „dýchají“ železem místo kyslíkem. Tento objev svědčí o tom, že před rozšířením fotosyntézy s tvorbou kyslíku byl tento typ metabolismu jednou z nejdůležitějších forem života na Zemi.

Cyanobakterie, které jsou zodpovědné za uvolňování kyslíku do atmosféry, byly také přítomny, ale v menším množství. Podle výzkumníků mohly hrát důležitou roli: produkovaly malé množství kyslíku, což umožňovalo železným bakteriím prosperovat, aniž by vystavovaly životní prostředí toxickému působení pro formy života citlivé na kyslík. Obě skupiny tak koexistovaly a vytvářely ekosystém spolupráce a rovnováhy .

V jednom ze zdrojů, nazývaném Kovakubi, objevili vědci něco ještě překvapivějšího: byl převážně osídlen bakteriemi z čeledi Hydrogenophilaceae , které mohou využívat vodík jako zdroj energie.

To naznačuje, že vodík, stejně jako železo, byl nezbytným palivem pro raný život. Výsledky ukazují, že metabolická rozmanitost byla vyšší, než se dříve předpokládalo pro dané období.

Chemie dávného života

Ve studii byla použita metagenomická analýza – metoda, která umožňuje studovat DNA všech bakterií v environmentálním vzorku. To umožnilo vědcům rekonstruovat více než 200 vysoce kvalitních mikrobiálních genomů a určit funkce těchto společenstev.

Mikroby ve zdrojích reprodukují klíčové metabolické procesy nejstarších ekosystémů Země, včetně fixace uhlíku, dusíku a oxidace železa.

Byly také identifikovány geny spojené s redukcí dusičnanů na amoniak a denitrifikací, což svědčí o aktivitě dusíkového cyklu v těchto podmínkách. Na některých místech vědci objevili důkazy úplné nitrifikace – procesu, během kterého se amoniak přeměňuje na dusičnany. Tyto údaje svědčí o tom, že biogeochemické cykly , jako jsou cykly uhlíku, dusíku a železa, fungovaly komplexně dlouho před vznikem živočichů a rostlin.

Pozoruhodným detailem bylo objevení genů spojených se sírou, a to navzdory tomu, že voda obsahovala velmi málo sloučenin obsahujících síru. Autoři to interpretují jako možný znak „skrytého cyklu síry“, ve kterém mikroby účinně zpracovávají tento prvek v minimálních množstvích a udržují chemickou rovnováhu systému. Tento mechanismus, který je dosud málo prozkoumán, mohl primitivním organismům pomoci přežít v extrémních podmínkách.

Rekonstrukce Země z vesmíru přibližně před 2 miliardami let, v orosirském období, kdy načervenalá barva oceánů odrážela vysokou koncentraci oxidovaného železa v důsledku zvýšení obsahu kyslíku v atmosféře. Zdroj: NASA.

Ekosystémy, které čekaly na kyslík

Vědci zjistili, že navzdory rozdílům mezi zdroji měly všechny podobnou organizaci: společenstva, ve kterých koexistovaly bakterie oxidující železo, mikroorganismy spotřebovávající omezené množství kyslíku a zcela anaerobní mikroby. Jednalo se o ekosystém, který se nacházel v rovnováze mezi životem s kyslíkem a bez něj. Tento typ organizace mohl odrážet přechod, který Země prošla na přelomu archaika a proterozoika, kdy se atmosféra začala postupně obohacovat kyslíkem.

V tomto kontextu vytvořily mikroby závislé na železu a vodíku ranou formu výroby energie. Kolem nich cyanobakterie uvolňovaly malé množství kyslíku, který se pomalu hromadil v okolním prostředí.

Postupem času tato koexistence změnila chemické složení planety, což umožnilo vznik vzduchu vhodného k dýchání a vývoj složitých forem života. Japonské zdroje svědčí o tom, že tyto změny nebyly náhlé, ale představovaly pomalý proces podporovaný různorodými ekosystémy.

Podle Li-Hau nám tyto výsledky pomáhají pochopit, jak první organismy přeměnily planetu bez kyslíku na svět, který známe dnes. Bakterie žijící v současných pramenech jsou potomky nebo ekvivalenty bakterií, které před miliardami let učinily první kroky k globálnímu nasycení kyslíkem. V jistém smyslu každý bublinek stoupající z této vody nese stopy nejstarší historie života.

Poučení pro život mimo Zemi

Výzkum nejen vrhá světlo na naši minulost, ale také poskytuje vodítka k tomu, kde by mohl existovat život na jiných planetách. Na planetách, jako je Mars nebo ledové měsíce Jupitera a Saturnu, mohou existovat prostředí bohatá na železo a chudá na kyslík, podobná studovaným pramenům. Porozumění tomu, jak život v těchto podmínkách vzkvétá, nám pomáhá lépe si představit jeho možnou existenci mimo Zemi. Bakterie, které přežily v japonských pramenech, jsou v podstatě živým příkladem toho, jak se biologie může přizpůsobit extrémním podmínkám.

Podobné výzkumy, provedené v rámci Institutu věd o Zemi a životě (ELSI) v Tokiu, demonstrují hodnotu spojení disciplín, jako je geologie, biologie a chemie, pro zodpovězení otázek o našem původu. Vědci nehledají zkameněliny, ale stopy současné mikrobiální aktivity, které odrážejí to, co se dělo před miliardami let. Je to způsob, jak rekonstruovat historii života bez nutnosti vykopávek minulosti.