Uten jern, intet liv. Intelligent design i jerntilgjengelighet
22.jan 2022. Oversatt herfra

Livet er avhengig av jern, men jern er også giftig. Og det er vanskelig å få tak i denne knappe ressursen der den er nødvendig. Her er et annet tilfelle av finjustering som legger til de mange Gullhår's "akkurat riktige" forhold for livet på planeten vår.

Bilde 1. Jern i ulike former

Jernets biofysikk
Evolution News har rapportert om skånsom håndtering av jern, av enzymer i cellene, slik som denne diskusjonen til Dr. Howard Glicksman, der han beskriver det delikate samspillet mellom jern og oksygen i hemoglobin som gjør blodet vårt rødt. Han forteller hvordan spesialiserte enzymer kontrollerer oppsamling, transport og kontroll av jern. Faktisk er byggesteinene til hemoglobin som inneholder jern, kalt heme-molekyler, giftige i cellene og må også håndteres nøye, som denne -lenke, artikkelen forteller.
Akkurat hvor nøye, kan man se i to animasjoner av CcsBA-enzymet fra forskning ved Washington University i St. Louis -lenke. Enzymet former seg rundt en heme (bildet grønt, med et oransje jernatom i midten), og forbereder og monterer det for transport. Det tok forskerteamet tre tiår å finne ut av dette, og dette er bare den bakterielle versjonen!
Like fascinerende som disse irreduserbart komplekse systemene er hver for seg, antar de at jern vil være tilgjengelig i miljøet. Hvordan skjedde det?

Jernets geofysikk
Jerntilgjengeligheten på jorden må finjusteres. Jern i jordens kjerne vil, selv om det er rikelig, ikke være til noen hjelp for plantelivet på overflaten eller havets liv. Vi observerer at jern er rikelig i jordskorpemineraler, som sett i de fargerike jernoksidene som gir rødlige farger på mange ørkenvegger (og planeten Mars). Jern er også rikelig i olivin, som kan leveres fra mantelen av vulkaner -lenke. I en nylig artikkel beskrev Evolution News hvordan "meteorisk støv" fra solsystemet forsiktig kan regne jern på havene for fotosyntetiske mikrober -lenke, som kiselalger kan bruke. Men hvordan ble jern finjustert med hensyn til mengde og tilgjengelighet?

Bilde 2. Jernoksid

Geofysikere formoder at jern ble produsert av supernovaer og innlemmet i solen som planetene antas å ha samlet seg fra. Det meste av det jernet ville imidlertid ha sunket til kjernen. Heldigvis skilte kjernen og mantelen seg på jorden, noe som tillot levering av jern til overflaten via platetektonikk. Oppløst jern i havet er følsomt for mengden oksygen i atmosfæren. Evolusjonister har lenge fortalt om en dramatisk økning av atmosfærisk oksygen i den såkalte "Great Oxygenation Event" (GOE) for rundt 2,4 milliarder år siden. (Oksygen hevdes også å være ansvarlig for den kambriske eksplosjonen; se her.) Denne fortellingen må imidlertid falle sammen med tilgjengeligheten av jern for eukaryotisk liv. Det er en utfordring for dem å holde alt i balanse mens solen lysnet, planeten ble avkjølt, havene dannet seg, de første cellene dukket opp, jern falt ut av havene og komplekst liv dukket opp.

Bilde 3. Jern -i spekulasjoner om livets opphav

Jernets geokjemi
Nå foreslår fire europeiske forskere at "Tidsmessig variasjon av planetarisk jern" var "en pådriver for evolusjon". Skriver i PNAS, Wade et al. taklet dette spørsmålet -lenke, om å sjonglere elementene mens verden forandret seg uten å forstyrre Gullhårs-kravene.
"Jern er en uerstattelig komponent av proteiner og enzymsystemer som kreves for livet. Dette behovet for jern er en godt karakterisert evolusjonsmekanisme for genetisk seleksjon. Imidlertid er det begrenset vurdering av hvordan jernbiotilgjengelighet, opprinnelig bestemt av planetarisk akkresjon, men som svinger betydelig på global skala over geologiske tidsrammer, har formet biosfæren. Vi beskriver påvirkninger av jern på planetarisk beboelighet fra formasjonshendelser > 4 milliarder år, og initiering av biokjemi fra geokjemi gjennom oksygenering av atmosfæren til nåværende vert-patogen-dynamikk. Ved å bestemme fordelingen av jern og overgangselementer innenfor de terrestriske planetene, er planetarisk kjernedannelse en begrensning på både skorpesammensetningen og varigheten til overflatevann, derav planetens beboelighet."
De beskriver jern som et "knapt, men livsviktige næringsstoff" som ble mindre tilgjengelig etter at GOE fjernet mye av det vannløselige jernholdige jernet (Fe2+) fra overflaten og havet og erstattet det med uløselig jern (Fe3+) som falt til havbunnen. Dette, hevder de, skapte "evolusjonspress" for å forårsake fremveksten av eukaryoter og flercellede dyr, som kunne resirkulere jern.

"Denne utviklingen lar livet mer effektivt utnytte et knapt, men livsviktig næringsstoff. Initiering av jordisk liv hadde fordel av de biokjemiske egenskapene til rikelig mantel/skorpejern, men det påfølgende tapet av jernbiotilgjengelighet kan ha vært en like viktig driver for kompenserende mangfold."
Fint hvordan det hele ordnet seg. Enzymer dukket nettopp opp for å gjøre det beste ut av en vanskelig situasjon. Oksygen drev kambriske dyr til å eksplodere inn på scenen. Jern drev landdyr til å gå ut og diversifisere. De kreative kreftene til atomiske elementer må bli ansett som merkbare.
To av forfatterne av artikkelen, Hal Drakesmith og Jon Wade ved Oxford University, forenklet i en diskusjon på The Conversation -lenke.. Merkelig nok beskriver de geofysikken til jern som en evolusjonær fordel. "Atferd som optimaliserte anskaffelsen og bruken av jern, ville ha hatt en klar selektiv fordel," proklamerer de. Og siden jern-fininnstilling fungerte så bra på jorden, tror de at astrobiologer kan søke andre planetsystemer som også treffer i jernlotteriet, som markører for romvesener.
Jern er ikke bare viktig for livet; det er også viktig for geofysiske prosesser:
"Mengden jern i mantelen regulerer flere planetariske prosesser, inkludert retensjon av overflatevann. Og uten vann kan ikke livet slik vi kjenner det eksistere. Astronomiske observasjoner av andre solsystemer kan muliggjøre estimater av en planets manteljern, og bidra til å begrense søket etter planeter som er i stand til å huse liv."

De diskuterer de unike egenskapene til jern for livet:
"I tillegg til å bidra til planetarisk beboelighet, er jern grunnleggende for biokjemien som lar liv skje. Jern har en unik kombinasjon av egenskaper, inkludert evnen til å danne kjemiske bindinger i flere orienteringer og relativt enkelt å få eller miste ett elektron. Som et resultat formidler jern mange biokjemiske prosesser i cellene, spesielt ved å aktivere katalyse - en prosess som fremskynder kjemiske reaksjoner. Metabolske prosesser som er livsviktige, som DNA-syntese og cellulær energi-dannelse, er avhengige av jern."
Uten jern, intet liv. Men dette essensielle elementet må være tilgjengelig i brukbar form, og dets toksisitet må kontrolleres. Molekyler kalt sideroforer dukket på en eller annen måte opp etter GOE, slik at bakterier kunne fange jern fra oksiderte mineraler. Deretter lærte eukaryoter å stjele dette jernet fra bakterier, noe som førte til parasittiske og symbiotiske forhold. "Takket være denne prosessen, fortsetter de, "utviklet begge parter seg kontinuerlig for å angripe og forsvare sine jernressurser." Og så lærte organismer et annet triks: resirkulering.

Bilde 4. Jern (Fe) -element 26 i periodisk system

Historien blir 'ironic' i mer enn én forstand:
"Fra et jern-forutinntatt syn ga infeksjon, symbiose og flercellethet forskjellige, men elegante midler for livsformer for å motvirke begrensning av jern. Behovet for jern kan ha formet evolusjonen - inkludert livet slik vi kjenner det i dag.
Jorden viser viktigheten av å være 'ironic'. Kombinasjonen av både en tidlig jord med biologisk tilgjengelig jern og den påfølgende fjerningen av jern under overflateoksidasjon, har gitt unike miljøtrykk som letter utviklingen av komplekst liv fra enklere forløpere."

Jernets matematikk
Og slik går fortellingen, ordnet ting seg bare ved flaks. Planeten vår samlet seg inne i den beboelige sonen med nok jernbefestet supernovastøv til å danne en kule av passende størrelse. Da jernet falt ned på en smeltet jord, skilte kjernen seg fra mantelen med hell. Mantelen beholdt nok jern - en knapp ressurs - for levering til hav. Det kom i en løselig form for mikrober å finne før GOE reduserte det betraktelig. Denne reduksjonen satte "seleksjonspress" på mikrobene for å utvikle enzymer som er i stand til å bruke den uløselige formen fra bergarter. Når komplekse eukaryote celler dukket opp, stjal de det, noe som førte til et våpenkappløp som noen ganger endte i en handelsavtale eller i geriljakrigføring (dvs. patogenese). Det satte et evolusjonært press på komplekst liv for å vokse seg større og sterkere. Begge sider lærte også hvordan man resirkulerer jern for en bærekraftig fremtid. Jon Wade oppsummerer vår lykke -lenke:
"Den opprinnelige mengden jern i jordens bergarter er 'satt' av forholdene for planetarisk akkresjon, der jordens metalliske kjerne segregerte fra sin steinete mantel," sier medforfatter Jon Wade, førsteamanuensis i planetariske materialer ved Institutt for jord. Sciences, University of Oxford. 'For lite jern i den steinete delen av planeten, som planeten Merkur, og liv er usannsynlig. For mye, som Mars, og vann kan være vanskelig å holde på overflaten i tider som er relevante for utviklingen av komplekst liv."

Etter GOE sier han, "ble gigatonn av jern skilt ut fra sjøvann, der det var mye mindre tilgjengelig for livsformer."
"Livet måtte finne nye måter å skaffe jernet det trenger," sier medforfatter Hal Drakesmith, professor i jernbiologi ved MRC Weatherall Institute of Molecular Medicine, University of Oxford. "For eksempel er infeksjon, symbiose og flercellet atferd som gjør at livet kan fange og utnytte dette knappe, men livsviktige næringsstoffet mer effektivt. Å ta i bruk slike egenskaper ville ha drevet tidlige livsformer til å bli stadig mer komplekse, på veien til å utvikle seg til det vi ser rundt oss i dag."

Bilde 5. Jernmalm i naturlig form

Jernets 'ironi': Fra fortelling til sak
Som en øvelse, tell antall heldige pauser som måtte oppstå for at evolusjonshistorien skulle fungere: Alt fra dannelsen av tilstrekkelig jern i supernovaer til ankomsten av enzymer for å bruke det. De lave sannsynlighetene for at hvert uavhengig krav blir oppfylt innenfor stramme begrensninger, multiplisert ut til en forsvinnende liten total sannsynlighet. Ta så ut det sirkulære resonnementet: det vil si "vi er her, derfor har vi utviklet oss." Trekk så fra 'personifiseringen', en logisk feilslutning som behandler naturlig utvalg som en ingeniør -lenke. Hva er igjen? En fortelling om ren dum flaks -lenke.
Det er en alternativ forklaring. Et sinn med fremsyn og intelligens til å planlegge alle disse nødvendige trinnene, justere dem med høy nøyaktighet med målet om å bygge en bærekraftig, samvirkende biosfære, som samsvarer med vår enhetlige erfaring av hvor svært komplekse systemer oppstår. I vitenskapen er det å appellere til nødvendige og tilstrekkelige formål å foretrekke, fremfor å appellere til ren dum flaks. Og så for de biofysiske, geofysiske, geokjemiske og matematiske egenskapene observert i jernutnyttelse av levende organismer, er intelligent design forklaringen hva en logisk konsistent og upartisk vitenskapsmann bør foretrekke.

Oversettelse vig google oversetter og bilder, ved Asbjørn E. Lund