We weten weinig over de oppervlaktetemperaturen van de aarde gedurende de eerste 4 miljard jaar of zo van zijn geschiedenis. Dit vormt een beperking in het onderzoek naar de oorsprong van leven op aarde en ook hoe het ook op verre werelden zou kunnen ontstaan.

Nu suggereren onderzoekers dat ze door oude enzymen weer tot leven te wekken, de temperaturen kunnen schatten waarin deze organismen waarschijnlijk miljarden jaren geleden zijn geëvolueerd. De wetenschappers publiceerden onlangs hun bevindingen in het tijdschrift, Proceedings van de National Academy of Sciences .

"We hebben een beter begrip nodig van niet alleen hoe het leven zich voor het eerst op aarde ontwikkelde, maar hoe het leven en de omgeving van de aarde samen evolueerden gedurende miljarden jaren van geologische geschiedenis, " zei hoofdauteur Amanda Garcia, een paleogeobioloog aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. "Een vergelijkbare co-evolutie lijkt zeker het geval te zijn voor elk leven elders in het universum."

Garcia en haar collega's concentreerden zich op de geschiedenis van de oppervlaktetemperaturen van de aarde. Rotsen bieden veel aanwijzingen om temperaturen af ​​te leiden van de afgelopen 550 miljoen jaar in het Phanerozoïcum, wanneer complex, meercellig leven begon, inclusief die van de mens. Echter, er zijn maar weinig van dergelijke "paleothermometers" voor het eerdere Precambrium, over de vorming van de aarde 4,6 miljard jaar geleden en de opkomst van het leven.

Eerder geologisch bewijs heeft gesuggereerd dat 3,5 miljard jaar geleden, tijdens de Archeïsche Eon, de oceanen waren 131º tot 185º F (55º tot 85º C). Ze koelden dramatisch af tot de huidige gemiddelde temperaturen van 59º F (15º C). Wetenschappers hebben deze schattingen gemaakt door zuurstof- en siliciumisotopen in zeegesteenten te onderzoeken. Kwartsrijke rotsen in de zeebodem, bekend als cherts, hebben hogere niveaus van de zwaardere zuurstof-18 en silicium-30 isotopen naarmate het zeewater kouder wordt. In principe, de verhouding van zwaardere tot lichtere zuurstof en siliciumisotopen kan licht werpen op oude temperaturen.

Maar zulke paleo-thermometers houden onvoldoende rekening met hoe deze rotsen of de oceaan in de loop van miljarden jaren kunnen zijn veranderd. Misschien varieerden de isotopenverhoudingen in zeewater in de loop van de tijd als reactie op fysische of chemische veranderingen, zoals water dat van het land stroomt of van hydrothermale bronnen.

Gezien de onzekerheden, Garcia en haar collega's zochten een onafhankelijke meting van zeewatertemperaturen in het Precambrium die zich concentreert op het gedrag van biologische moleculen. De wetenschappers onderzochten een enzym dat bekend staat als nucleoside difosfaatkinase (NDK), die helpt bij het manipuleren van de bouwstenen van DNA en RNA, evenals vele andere rollen. Versies van dit eiwit zijn te vinden in vrijwel alle levende organismen, en waren waarschijnlijk ook van vitaal belang voor veel uitgestorven organismen. Eerder onderzoek vond een correlatie tussen de optimale temperaturen van eiwitstabiliteit en de groei van een organisme.

Door de moleculaire sequenties van versies van NDK in verschillende hedendaagse soorten te vergelijken, onderzoekers kunnen de versies van NDK reconstrueren die mogelijk aanwezig waren in hun gemeenschappelijke voorouders. Door deze reconstructies te synthetiseren, wetenschappers kunnen deze "opgestane" oude eiwitten experimenteel testen om de temperatuur te vinden die het eiwit stabiliseert en daaruit de waarschijnlijke temperatuur afleiden die het oude organisme ondersteunde.

Wetenschappers schatten wanneer oude enzymen hebben bestaan ​​door te kijken naar hun naaste levende verwanten van hun gastheerorganisme. Hoe groter het aantal verschillen in de genetische sequenties van deze verwanten, hoe langer geleden hun laatste gemeenschappelijke familielid waarschijnlijk leefde. Wetenschappers gebruiken deze verschillen om de leeftijd van biomoleculen te meten, zoals de reconstructies van NDK.

Eerder onderzoek had oude enzymen gereconstrueerd om vroegere temperaturen af ​​te leiden, maar sommige van deze enzymen kunnen afkomstig zijn van organismen die in ongewoon warme omgevingen leefden, zoals diepzee hydrothermale bronnen, die niet representatief zou zijn voor de wijdere oceaan. In plaats daarvan, Garcia en haar collega's probeerden NDK te reconstrueren uit landplanten en fotosynthetische bacteriën die leven in de hogere zonovergoten diepten van oceanen, vermoedelijk ver weg van kokende warmwaterbronnen.

Hun onderzoek suggereert dat het aardoppervlak ongeveer 3 miljard jaar geleden afkoelde van ongeveer 167º F (75º C) tot ongeveer 95º (35º F) ongeveer 420 miljoen jaar geleden. Deze bevindingen komen overeen met eerdere geologische en op enzymen gebaseerde resultaten.

Garcia zei dat zo'n dramatische afkoeling moeilijk te doorgronden is, benadrukken hoe wetenschappers zich moeten herinneren hoe verschillende omstandigheden in het verleden waren bij het uitzoeken hoe het leven in de loop van de tijd is geëvolueerd.

"Het vereist veel inspanning om je een wereld voor te stellen die niet lijkt te passen bij het gezond verstand van onze huidige aardse omstandigheden."

Toekomstig onderzoek zou versies van NDK kunnen reconstrueren uit meer organismen, evenals andere enzymen, het geven van meer bewijs om de methode te ondersteunen. Dergelijk onderzoek zou kunnen helpen "bij het oplossen van grote vragen over de vroege evolutie van het leven en de omgeving van de aarde, " ze zei.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.