Hoe veranderende niveaus van ijzer de evolutie van het leven

Hoe veranderende niveaus van ijzer de evolutie van het leven op aarde hebben gevormd – en waarom buitenaardse jagers er rekening mee moeten houden

De vroege aarde aan de linkerkant experienced zeeën doordrenkt fulfilled levensverbeterend ijzer, terwijl de aarde van vandaag, rechts gezien, dat niet doet.

Krediet: afbeelding satisfied dank aan Mark A. Garlick / markgarlick.com, Auteur verstrekt

Ons rode bloed zit vol ijzer. We hebben ijzer nodig voor groei en voor immuniteit. Het wordt zelfs toegevoegd aan voedingsmiddelen, zoals granen, om ervoor te zorgen dat er voldoende van deze voedingsstof in de voeding zit om ijzertekort te voorkomen.

Echter, op een heel andere schaal, tijdens de ontwikkeling van het leven op planeet Aarde gedurende miljarden jaren, kan ijzertekort de evolutie hebben gestimuleerd. Volgens ons nieuwe onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings of the Nationwide Academy of Sciences (PNAS), kunnen stijgende en dalende niveaus van ijzer op onze planeet complexe organismen mogelijk hebben gemaakt om te evolueren van eenvoudigere voorouders.

De terrestrische planeten in ons zonnestelsel – Mercurius, Venus, Aarde en Mars – hebben verschillende hoeveelheden ijzer in hun rotsachtige mantels, de laag onder de buitenste planetaire korst. De mantel van Mercurius heeft de minste hoeveelheid ijzer en die van Mars het meeste. Deze variatie is te wijten aan verschillen in afstand tot de zon. Het heeft ook te maken fulfilled de wisselende omstandigheden waaronder de planeten aanvankelijk hun metalen, ijzerrijke kernen vormden.

De hoeveelheid ijzer in de mantel regelt verschillende planetaire processen, waaronder het vasthouden van oppervlaktewater. En zonder drinking water kan het leven zoals wij dat kennen niet bestaan. Astronomische waarnemingen van andere zonnestelsels kunnen schattingen van het mantelijzer van een planeet mogelijk maken, waardoor de zoektocht naar planeten die leven kunnen herbergen, wordt beperkt.

IJzer draagt ​​niet alleen bij aan de bewoonbaarheid van de planeet, maar is ook van fundamenteel belang voor de biochemie die het leven mogelijk maakt. IJzer heeft een unieke combinatie van eigenschappen, waaronder het vermogen om chemische bindingen te vormen in meerdere oriëntaties en relatief gemak om één elektron te winnen of te verliezen. Dientengevolge bemiddelt ijzer veel biochemische processen in cellen, vooral doorway katalyse mogelijk te maken – een proces dat chemische reacties versnelt. Metabolische processen die essentieel zijn voor het leven, zoals DNA-synthese en cellulaire energieopwekking, zijn afhankelijk van ijzer.

In ons werk hebben we de hoeveelheid ijzer in de aardse zeeën in excess of miljarden jaren berekend. Vervolgens hebben we gekeken naar het effect op de evolutie van enorme hoeveelheden ijzer die uit de zeeën vallen.

IJzer door de eeuwen heen

De eerste vormende gebeurtenissen van geochemie die zich ontwikkelden tot biochemie, leven, vonden meer dan 4 miljard jaar geleden plaats. En er is een consensus dat ijzer een cruciaal ingredient was voor dit proces. De omstandigheden op de vroege aarde waren heel anders dan die van nu. Fulfilled title was er bijna geen zuurstof in de atmosfeer, waardoor ijzer goed oplosbaar was in h2o als “ijzerhoudend ijzer” (Fe2+). De overvloed aan voedzaam ijzer in de vroege zeeën van de aarde hielp het leven te evolueren. Dit “ijzerhoudende paradijs” zou echter niet lang duren.

De Good Oxygenation Occasion resulteerde in het verschijnen van zuurstof in de atmosfeer van de aarde. Het gebeurde ongeveer 2,43 miljard jaar geleden. Dit veranderde het aardoppervlak en veroorzaakte een groot verlies van oplosbaar ijzer uit de bovenste oceaan en oppervlaktewateren van de planeet. Een tweede, meer recente “oxygenatiegebeurtenis”, het Neoproterozoïcum, vond plaats tussen 800 en 500 miljoen jaar geleden. Hierdoor werden de zuurstofconcentraties nog hoger. Als gevolg van deze twee gebeurtenissen viel zuurstof in combinatie met ijzer en gigaton geoxideerd, onoplosbaar “ferri-ijzer” (Fe3+) uit het oceaanwater, waardoor het niet meer beschikbaar was voor de meeste levensvormen.

Afbeelding van de Pilbara-regio in West-Australië, bekend om de rode aarde en zijn enorme minerale afzettingen in ijzererts - zuurstof en ijzeratomen die aan elkaar zijn gebonden tot moleculen.

De Pilbara-regio in West-Australië staat bekend om de rode aarde en zijn enorme minerale afzettingen in ijzererts – zuurstof en ijzeratomen die aan elkaar zijn gebonden tot moleculen.
electra/shutterstock

Het leven experienced een onontkoombare afhankelijkheid van ijzer ontwikkeld en in stand gehouden. Het verlies van toegang tot oplosbaar ijzer had grote gevolgen voor de evolutie van het leven op aarde. Gedrag dat de verwerving en het gebruik van ijzer optimaliseerde, zou een duidelijk selectief voordeel hebben gehad. We kunnen dit vandaag de dag nog steeds zien in genetische analyse van infecties: bacteriële varianten die in staat zijn om efficiënt ijzer van hun gastheren te vangen, doen het beter dan minder bekwame concurrenten in excess of een paar korte generaties.

Een belangrijk wapen in deze strijd om ijzer was de “siderofoor” – een kleine molecule die doorway veel bacteriën wordt geproduceerd en die geoxideerd ijzer (Fe3+) opvangt. Sideroforen werden spectaculair nuttiger na oxygenatie, waardoor organismen ijzer konden assimileren uit mineralen die geoxideerd ijzer bevatten. Sideroforen hielpen echter ook bij het stelen van ijzer van andere organismen, waaronder bacteriën. Deze omschakeling in concentration, van het verwerven van ijzer uit de omgeving naar het stelen van het van andere levensvormen, zorgde voor een nieuwe dynamiek van competitieve interactie tussen ziekteverwekkers en hun gastheren. Dankzij dit proces zijn beide partijen voortdurend geëvolueerd om hun ijzerbronnen aan te vallen en te verdedigen. Gedurende miljoenen jaren leidde deze krachtige concurrentiedrang tot steeds complexer gedrag, wat resulteerde in meer geavanceerde organismen.

Naast diefstal kunnen echter ook andere strategieën helpen om te gaan achieved de afhankelijkheid van een schaarse voedingsstof. Een voorbeeld hiervan zijn symbiotische, coöperatieve relaties die middelen delen. Mitochondriën zijn ijzerrijke, energieopwekkende equipment die oorspronkelijk bacteriën waren, maar nu in onze cellen verblijven. Meerdere cellen die samenklonteren als complexe organismen, maken een efficiënter gebruik van zeldzame voedingsstoffen mogelijk dan eencellige organismen, zoals bacteriën. Mensen recyclen bijvoorbeeld 25 keer zoveel ijzer for each dag als we by way of onze voeding binnenkrijgen. Vanuit een ijzer-vooringenomen standpunt, verschaften infectie, symbiose en multicellulariteit verschillende, maar elegante middelen voor levensvormen om de beperking van ijzer tegen te gaan. De behoefte aan ijzer heeft mogelijk de evolutie gevormd – inclusief het leven zoals we dat nu kennen.

De aarde laat zien hoe belangrijk het is om ironisch te zijn. De combinatie van zowel een vroege aarde met biologisch toegankelijk ijzer als de daaropvolgende verwijdering van ijzer tijdens oppervlakte-oxidatie, heeft gezorgd voor een unieke omgevingsdruk die de evolutie van complex leven uit eenvoudigere voorlopers vergemakkelijkt.

Deze specifieke reeksen omstandigheden en veranderingen around zulke lange tijdschalen zijn mogelijk ongewoon op andere planeten. De kans dat andere geavanceerde levensvormen in onze kosmische omgeving worden gevonden, is daarom mogelijk laag. Maar kijken naar de ijzeren overvloed op andere werelden zou ons ook kunnen helpen om zulke zeldzame werelden te vinden.

Het gesprek

Hal Drakesmith ontvangt financiering van Clinical Study Council British isles en de Bill and Melinda Gates Foundation.

Jon Wade werkt niet voor, raadpleegt, bezit geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat zou hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante voorkeuren bekendgemaakt buiten hun academische aanstelling.