Nơi Khởi Nguồn Của Sự Sống Tiền Thân: Vai Trò Của Khoáng Vật Phụ Trong Việc Hình Thành Protein Kim Loại Qua Tương Tác Nước-Đá Của Các Đá Hadean

Kazumi Yoshiya1, Tomohiko Sato1, Soichi Omori2, Shigenori Maruyama1,3
1Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan
2The Open University of Japan, Chiba, Japan
3Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia

Tóm tắt

Bề mặt Trái Đất Hadean chủ yếu được bao phủ bởi ba loại đá—komatiite, đá bazan KREEP và anorthosite—mà có sự khác biệt đáng kể so với những loại đá trên Trái Đất hiện đại. Tương tác giữa nước và đá giữa các loại đá này và nước đã tạo ra một môi trường khử mạnh mẽ và hình thành các khoáng vật thứ cấp trên bề mặt của các loại đá này, mà có vai trò quan trọng trong việc tạo ra các enzyme kim loại cho sự phát sinh của sự sống nguyên thủy. Các nghiên cứu trước đây đã gợi ý một mối tương quan giữa vị trí hoạt động của enzyme kim loại và khoáng vật sulfide dựa trên sự tương đồng của cấu trúc của chúng, nhưng họ chưa thảo luận về nguồn gốc của các nguyên tố kim loại có trong những khoáng vật này, điều này rất quan trọng để hiểu nơi nào sự sống bắt đầu. Chúng tôi đã điều tra các khoáng vật thứ cấp được hình thành qua các tương tác nước-đá của komatiite trong một hệ thống phun nước subaerial, sau đó thảo luận về mối quan hệ giữa vị trí hoạt động của enzyme kim loại và các khoáng vật thứ cấp. Thay vì komatiite, chúng tôi sử dụng serpentinite thu thập được từ khu vực Hakuba Happo, tỉnh Nagano ở miền trung-norte Nhật Bản, nơi được cho là hiện đại sánh với môi trường Hadean. Chúng tôi đã phát hiện một số khoáng vật nhỏ như magnetite, chromite, pyrite và pentlandite bên cạnh các khoáng vật serpentinite. Pentlandite chưa từng được đề cập trong các nghiên cứu trước đây như một trong những ứng viên có thể cung cấp các nguyên tố kim loại quan trọng để xây dựng enzyme kim loại. Đã có chứng minh rằng nó có thể đóng vai trò là chất xúc tác cho việc sản xuất hydro, có thể là nhờ vào sự tương đồng cấu trúc với vị trí hoạt động của hydrogenases. Chúng tôi xem xét khả năng rằng sulfide niken-sắt, pentlandite, có thể là khoáng vật quan trọng cho nguồn gốc của sự sống. Ngoài ra, chúng tôi ước lượng các loại khoáng vật phụ nào sẽ được thu được từ sự tương tác nước-đá của những loại đá này sử dụng các tính toán nhiệt động học. Đá bazan KREEP chứa một lượng lớn sắt và nó có thể hữu ích trong việc sản xuất enzyme kim loại, đặc biệt là ferredoxins—enzyme chuyển giao electron, mà có thể đã hỗ trợ cho sự khởi đầu của sự sống.

Từ khóa

#Hadean #enzyme kim loại #khoáng vật thứ cấp #sự sống nguyên thủy #tương tác nước-đá

Tài liệu tham khảo

Arndt NT, Nisbet EG (2012) Processes on the young earth and the habitats of early life. Annu Rev Earth Planet Sci 40:521–549

Arndt NT, Czamanske GK, Walker RJ, Chauvel C, Fedorenko VA (2003) Geochemistry and origin of the intrusive hosts of the Noril’sk-Talnakh cu-Ni-PGE sulfide deposits. Econ Geol 98:495–515

Baross JA, Hoffman SE (1985) Submarine hydrothermal vents and associated gradient environments as sites for the origin and evolution of life. Orig Life Evol Biosph 15:327–345

Bottke WF, Vokrouhlický D, Minton D, Nesvorný D, Morbidelli A, Brasser R, Simonson B, Levison HF (2012) An Archaean heavy bombardment from a destabilized extension of the asteroid belt. Nature 485:78–81

Brazelton WJ, Ludwig KA, Sogin ML, Andreishcheva EN, Kelley DS, Shen CC, Edwards RL, Baross JA (2010) Archaea and bacteria with surprising microdiversity show shifts in dominance over 1,000-year time scales in hydrothermal chimneys. Proc Natl Acad Sci 107:1612–1617

Brazelton WJ, Thornton CN, Hyer A, Twing KI, Longino AA, Lang SQ, Lilley MD, Früh-Green GL, Schrenk MO (2017) Metagenomic identification of active methanogens and methanotrophs in serpentinite springs of the Voltri massif, Italy. PeerJ 5:e2945

Byerly BL, Lowe DR, Drabon N, Coble MA, Burns DH, Byerly GR (2018) Hadean zircon from a 3.3 Ga sandstone, Barberton greenstone belt, South Africa. Geology 46:967–970

Crowley JL, Myers JS, Sylvester PJ, Cox RA (2005) Detrital zircon from the Jack Hills and mount Narryer, Western Australia: evidence for diverse> 4.0 Ga source rocks. J Geol 113:239–263

Damer B, Deamer D (2015) Coupled phases and combinatorial selection in fluctuating hydrothermal pools: a scenario to guide experimental approaches to the origin of cellular life. Life 5:872–887

Darnault C, Volbeda A, Kim EJ, Legrand P, Vernède X, Lindahl PA, Fontecilla-Camps JC (2003) Ni-Zn-[Fe4-S4] and Ni-Ni-[Fe4-S4] clusters in closed and open α subunits of acetyl-CoA synthase/carbon monooxide dehydrogenase. Nat Struct Biol 10:271–279

Dobbek H, Svetlitchnyi V, Gremer L, Huber R, Meyer O (2001) Crystal structure of a carbon monoxide dehydrogenase reveals a [Ni-4Fe-5S] cluster. Science 293:1281–1285

Dohm JM, Maruyama S (2015) Habitable trinity. Geosci Front 6:95–101

Ebisuzaki T, Maruyama S (2017) Nuclear geyser model of the origin of life: driving force to promote the synthesis of building blocks of life. Geosci Front 8:275–298

Eck RV, Dayhoff MO (1966) Evolution of the structure of ferredoxin based on living relics of primitive amino acid sequences. Science 152:363–366

Fontecilla-Camps JC, Amara P, Cavazza C, Nicolet Y, Volbeda A (2009) Structure–function relationships of anaerobic gas-processing metalloenzymes. Nature 460:814–822

Frost BR (1985) On the stability of sulfides, oxides, and native metals in serpentinite. J Petrol 26:31–63

Froude DO, Ireland TR, Kinny PD, Williams IS, Compston W, Williams IR, Myers JS (1983) Ion microprobe identification of 4,100–4,200 Myr-old terrestrial zircons. Nature 304:616–618

Geological Survey of Japan, AIST (ed.) (2015) Seamless digital geological map of Japan 1: 200,000. May 29, 2015 version. Geological Survey of Japan, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.

Hall DO, Cammack R, Rao KK (1971) Role for ferredoxins in the origin of life and biological evolution. Nature 233:136–138

Harrison TM, Blichert-Toft J, Müller W, Albarede F, Holden P, Mojzsis SJ (2005) Heterogeneous hadean hafnium: evidence of continental crust at 4.4 to 4.5 Ga. Science 310:1947–1950

Hughes SS, Delano JW, Schmitt RA (1989) Petrogenetic modeling of 74220 high-Ti orange volcanic glasses and the Apollo 11 and 17 high-Ti mare basalts. In Lunar and Planetary Science Conference Proceedings 19:175–188

Iizuka T, Horie K, Komiya T, Maruyama S, Hirata T, Hidaka H, Windley BF (2006) 4.2 Ga zircon xenocryst in an Acasta gneiss from northwestern Canada: evidence for early continental crust. Geology 34:245–248

Johnson JW, Oelkers EH, Helgeson HC (1992) SUPCRT92: a software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000°C. Comput Geosci 18:899–947

Kamber BS (2015) The evolving nature of terrestrial crust from the hadean, through the Archaean, into the Proterozoic. Precambrian Res 258:48–82

Kasting JF (1989) Long-term stability of the Earth's climate. Glob Planet Chang 1:83–95

Kawabe I (1974) Transition metal contents of Paleozoic geosynclinal basalts in Southwest Japan and their geological significance. J Geol Sot Jpn 80:539–554 (in Japanese with English abstract)

Kemp AIS, Wilde SA, Hawkesworth CJ, Coath DD, Nemchin A, Pidgeon RT, Vervoort JD, DuFrane SA (2010) Hadean crustal evolution revisited: new constraints from Pb-Hf isotope systematics of the Jack Hills zircons. Earth Planet Sci Lett 296:45–56

Konkena B, Junge Puring K, Sinev I, Piontek S, Khavryuchenko O, Dürholt JP, Schmid R, Tüysüz H, Muhler M, Schuhmann W, Apfel UP (2016) Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation. Nat Commun 7:12269–12276

Korenaga J (2007) Thermal cracking and the deep hydration of oceanic lithosphere: a key to the generation of plate tectonics. J Geophys Res 112:B05408

Kulik DA, Wagner T, Dmytrieva SV, Kosakowski G, Hingerl FF, Chudnenko KV, Berner UR (2013) GEM-Selektor geochemical modeling package: revised algorithm and GEMS3K numerical kernel for coupled simulation codes. Comput Geosci 17:1–24

Lill R (2009) Function and biogenesis of iron–Sulphur proteins. Nature 460:831–838

Ljungdhal LG (1986) The autotrophic pathway of acetate synthesis in acetogenic bacteria. Annu Rev Microbiol 40:415–450

Lubitz W, Ogata H, Rüdiger O, Reijerse E (2014) Hydrogenases. Chem Rev 114:4081–4148

Lyon EJ, Shima S, Boecher R, Thauer RK, Grevels FW, Bill E, Albracht SP (2004) Carbon monoxide as an intrinsic ligand to iron in the active site of the iron− sulfur-cluster-free hydrogenase H2-forming methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase as revealed by infrared spectroscopy. J Am Chem Soc 126:14239–14248

Malkin R, Rabinowitz JC (1966) The reconstitution of clostridial ferredoxin. Biochem Biophys Res Commun 23:822–827

Maruyama S, Ikoma M, Genda H, Hirose K, Yokoyama T, Santosh M (2013) The naked planet earth: Most essential pre-requisite for the origin and evolution of life. Geosci Front 4:141–165

Matsumoto T (2009) Acetyl CoA synthase, a key player of carbon fixation in nature. Bulletin of Japan Society of Coordination Chemistry 54:38–51

McDonough WF, Sun SS (1995) The composition of the earth. Chem Geol 120:223–253

Meyer, C., 2010. The lunar sample compendium. https://curator.jsc.nasa.gov/lunar/lsc/74220.pdf. Accessed 27 Nov 2017

Miller SL (1953) A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 117:528–529

Mulkidjanian AY, Bychkov AY, Dibrova DV, Galperin MY, Koonin EV (2012) Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proc Natl Acad Sci 109:E821–E830

Nakamizu M, Okada M, Yamazaki T, Komatsu M (1989) Metamorphic rocks in the Omi-Renge serpentinite mélange, Hida marginal Tectonic Belt, Central Japan. Mem Geol Soc Jpn 33:21–35 (in Japanese with English abstract)

Nesbitt RW, Sun SS, Purvis AC (1979) Komatiites; geochemistry and genesis. Can Mineral 17:165–186

Neubeck A, Duc NT, Hellevang H, Oze C, Bastviken D, Bacsik Z, Holm NG (2014) Olivine alteration and H2 production in carbonate-rich, low temperature aqueous environments. Planet Space Sci 96:51–61

Nicolet Y, Piras C, Legrand P, Hatchikian CE, Fontecilla-Camps JC (1999) Desulfovibrio desulfuricans iron hydrogenase: the structure shows unusual coordination to an active site Fe binuclear center. Structure 7:13–23

Nitschke W, McGlynn SE, Milner-White EJ, Russell MJ (2013) On the antiquity of metalloenzymes and their substrates in bioenergetics. Biochim Biophys Acta (BBA)-Bioenergetics 1827:871–881

Nozaka T (2012) Petrological constraints on hydrogen production during serpentinization: a review. Japanese Magazine of Mineralogical and Petrological Sciences 41:174–184

O’Neil J, Carlson RW, Francis D, Stevenson RK (2008) Neodymium-142 evidence for hadean mafic crust. Science 321:1828–1831

Ogata H, Nishikawa K, Lubitz W (2015) Hydrogens detected by subatomic resolution protein crystallography in a [NiFe] hydrogenase. Nature 520:571–574

Ohta H, Maruyama S, Takahashi E, Watanabe Y, Kato Y (1996) Field occurrence, geochemistry and petrogenesis of the Archean mid-oceanic ridge basalts (AMORBs) of the Cleaverville area, Pilbara craton, Western Australia. Lithos 37:199–221

Ohtake M, Matsunaga T, Haruyama J, Yokota Y, Morota T, Honda C, Hirata N (2009) The global distribution of pure anorthosite on the moon. Nature 461:236–240

Pizzarello S, Cronin JR (2000) Non-racemic amino acids in the Murray and Murchison meteorites. Geochim Cosmochim Acta 64:329–338

Ragsdale SW (2004) Life with carbon monoxide. Crit Rev Biochem Mol Biol 39:165–195

Rempfert KR, Miller HM, Bompard N, Nothaft D, Matter JM, Kelemen P, Fierer N, Templeton AS (2017) Geological and geochemical controls on subsurface microbial life in the Samail ophiolite, Oman. Front Microbiol 8:56

Rhodes, J. M., Rodgers, K. V., Bansal, B. M., Wiesmann, H., Shih, C., Nyquist, L. E., Hubbard, N. J., 1974. The relationships between geology and soil chemistry at the Apollo 17 landing site. In Lunar and planetary science conference proceedings (Vol. 5, pp. 1097–1117)

Rodriguez-Garcia M, Surman AJ, Cooper GJ, Suárez-Marina I, Hosni Z, Lee MP, Cronin L (2015) Formation of oligopeptides in high yield under simple programmable conditions. Nat Commun 6:8385

Russell MJ, Hall AJ (1997) The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J Geol Soc Lond 154:377–402

Russell, M. J., Hall, A. J., 2006. The onset and early evolution of life. In: evolution of early Earth’s atmosphere hydrosphere, and biosphere-constraints from ore deposits (eds. S. E. Kesler and H. Ohmoto), Geochemical Society of America Memoir 198, 1–32

Russell MJ, Martin W (2004) The rocky roots of the acetyl coenzyme-a pathway. Trends Biochem Sci 24:358–363

Russell MJ, Barge LM, Bhartia R, Bocanegra D, Bracher PJ, Branscomb E, Kidd R, McGlynn S, Meier DH, Nitschke W, Shibuya T, Vance S, White L, Kanik I (2014) The drive to life on wet and icy worlds. Astrobiology 14:308–343

Sakata K, Yabuta H, Kondo T (2014) Effects of metal ions and pH on the formation and decomposition rates of di-and tri-peptides in aqueous solution. Geochem J 48:219–230

Santosh M, Arai T, Maruyama S (2017) Hadean earth and primordial continents: the cradle of prebiotic life. Geosci Front 8:309–327

Sato T, Yoshiya K, Maruyama S (2019) History of the hadean “living microfossil” and ultra-reducing environments. J Geogr (Chigaku Zasshi), (in Japanese with English abstract), accepted

Sleep NH (2010) The hadean-archaean environment. Cold Spring Harb Perspect Biol 2:a002527

Sossi PA, Eggins SM, Nesbitt RW, Nebel O, Hergt JM, Campbell IH, O’Neill HC, Kranendonk MV, Davies DR (2016) Petrogenesis and geochemistry of Archean komatiites. J Petrol 57:147–184

Suda K, Ueno U, Yoshizaki M, Nakamura H, Kurokawa K, Nishiyama E, Yoshino K, Hongoh Y, Kawachi K, Omori S, Yamada K, Yoshida N, Maruyama S (2014) Origin of methane in serpentinite-hosted hydrothermal systems: the CH4–H2–H2O hydrogen isotope systematics of the Hakuba Happo hot spring. Earth Planet Sci Lett 386:112–125

Suzuki S, Ishii S, Wu A, Cheung A, Tenney A, Wanger G, Kuenen JG, Nealson KH (2013) Microbial diversity in the cedars, an ultrabasic, ultrareducing, and low salinity serpentinizing ecosystem. Proc Natl Acad Sci USA 110:15336–15341

Suzuki S, Ishii S, Hoshino T, Rietze A, Tenney A, Morrill PL, Inagaki F, Kuenen JG, Nealson KH (2017) Unusual metabolic diversity of hyperalkaliphilic microbial communities associated with subterranean serpentinization at the cedars. ISME J:1–15

Svetlitchnyi V, Dobbeck H, Meyer-Klaucke W, Meins T, Thiele B, Römer P, Huber R, Meyer O (2004) A functional Ni–Ni–[4Fe4S] cluster in the monomeric acetyl-CoA synthase from Carboxydothermus hydrogenoformans. Proc Natl Acad Sci USA 101:446–451

Valley JW, Cavosie AJ, Ushikubo T, Reinhard DA, Lawrence DF, Larson DJ, Clifton PH, Kelly TF, Wilde SA, Moser DE, Spicuzza MJ (2014) Hadean age for a post-magma ocean zircon confirmed by atom-probe tomography. Nat Geosci 7:219–223

Vignais PM, Billoud B (2007) Occurrence, classification, and biological function of hydrogenases: an overview. Chem Rev 107:4206–4272

Volbeda A, Darnault C, Tan X, Lindahl PA, Fontecilla-Camps JC (2009) Novel domain arrangement in the crystal structure of a truncated acetyl-CoA synthase from Moorella thermoacetica. Biochemistry 48:7916–7926

Wänke, H., Baddenhausen, H., Dreibus, G., Jagoutz, E., Kruse, H., Palme, H., Teschke, F., 1973. Multielement analyses of Apollo 15, 16, and 17 samples and the bulk composition of the moon. In Lunar and planetary science conference proceedings (Vol. 4, p. 1461)

Weiss MC, Sousa FL, Mrnjavac N, Neukirchen S, Roettger M, Nelson-Sathi S, Martin WF (2016) The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nat Microbiol 1:16116

Westall F, Hickman-Lewis K, Hinman N, Gautret P, Campbell KA, Bréhéret JG, Foucher F, Hubert A, Sorieul S, Dass AV, Kee TP, Georgelin T, Brack A (2018) A hydrothermal-sedimentary context for the origin of life. Astrobiology 18:259–293

Wilde SA, Valley JW, Peck WH, Graham CM (2001) Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the earth 4.4 Gyr ago. Nature 409:175–178

Zahnle K, Arndt N, Cockell C, Halliday A, Nisbet E, Selsis F, Sleep NH (2007) Emergence of a habitable planet. Space Sci Rev 129:35–78