Nieuw onderzoek: ijzer was het enige overgangsmetaal voor het vroege leven in de oeroceaan

AmsterdamRecent onderzoek wijst uit dat ijzer het eerste en enige overgangsmetaal was dat door vroege levensvormen in de oude oceanen van de aarde werd gebruikt. Wetenschappers van de Universiteit van Michigan, het California Institute of Technology, en de Universiteit van Californië, Los Angeles onderzochten de rol van ijzer in vroege biologische processen. Ze ontdekten dat de grote hoeveelheid ijzer in de oude, zuurstofvrije oceanen het voor vroeg leven moeilijk maakte om andere overgangsmetalen te gebruiken.

Tijdens het Archeïcum, dat ongeveer 4 miljard tot 2,5 miljard jaar geleden duurde, bevatten de oceanen veel van een ijzersoort genaamd Fe(II) die oplosbaar was in water. Rond 2,5 miljard jaar geleden vond echter een belangrijke gebeurtenis plaats, de Grote Oxygenatiegebeurtenis. Deze gebeurtenis zorgde ervoor dat zuurstofproducerende fotosynthese de chemie van de oceanen veranderde, waardoor Fe(II) werd omgezet in Fe(III). Daardoor werd ijzer onoplosbaar en minder beschikbaar voor biologisch gebruik.

De belangrijkste bevindingen van dit onderzoek zijn:

• IJzer was het meest voorkomende en gemakkelijk toegankelijke metaal in de vroege oceanen van de aarde.
• Het Grote Oxidatie-Event verminderde de beschikbaarheid van ijzer en verhoogde die van andere metalen.
• In het begin was leven vrijwel volledig afhankelijk van ijzer voor biologische processen.
• Na oxidatie paste het leven zich aan om andere metalen voor diverse functies te gebruiken.

Uit dit onderzoek blijkt dat de moleculen van het vroege leven weinig keuze hadden en vaak ijzer gebruikten voor functies die tegenwoordig door metalen zoals zink, nikkel en mangaan worden vervuld. Hoewel moderne enzymen voornamelijk zink gebruiken, tonen de gegevens aan dat oude enzymen mogelijk net zo effectief ijzer gebruikten. Tijdens het Archeïcum was ijzer waarschijnlijk van groot belang omdat het zowel overvloedig als veelzijdig was.

De onderzoekers onderzochten gesteenten en chemische gegevens om te bepalen hoeveel metaal er in de vroege oceanen aanwezig was. Dit toont aan dat levende wezens zich kunnen aanpassen aan hun omgeving en suggereert dat het gebruik van verschillende metalen in plaats van alleen ijzer het leven op nieuwe manieren heeft geholpen te evolueren.

Ijzer heeft unieke eigenschappen die mogelijk de vroege evolutie hebben versneld. Onderzoekers ontdekten dat ijzer een grote rol speelde in biologische processen, wat ze wellicht sneller deed verlopen. Dit zou de snelle overgang van eenvoudige microben naar complexere levensvormen na de Grote Oxidatie kunnen verklaren.

Het onderzoek suggereert dat het leven zijn chemische processen kan veranderen en aanpassen. De enzymen die tegenwoordig andere metalen dan ijzer gebruiken, hebben mogelijk deze vaardigheid ontwikkeld omdat het leven zich moest aanpassen aan een afname van ijzer. Naarmate ijzer schaarser werd, begonnen organismen andere metalen te gebruiken, wat leidde tot nieuwe manieren om energie te verwerken en voor meer diversiteit in levensvormen zorgde.

Deze studie verandert ons begrip van de behoefte aan metalen in het vroege leven en toont hoe goed biologische systemen zich kunnen aanpassen aan veranderingen in de chemie van de omgeving. Het biedt inzichten in hoe de eerste levensvormen hun metalen-rijke omgevingen beheerden, wat leidde tot de diversiteit van leven die we vandaag de dag zien.