В глубоководных источниках нашли ключ к разгадке появления жизни на Земле

Одна из самых больших научных загадок — как зародилась жизнь на Земле. Часто в попытке разрешить ее исследователи фокусируются на роли глубоководных гидротермальных источников. В их шлейфах содержатся минералы, называемые сульфидами железа, которые, как полагают ученые, могли помочь запустить ранние химические реакции, приведшие к возникновению жизни.

Эти минералы в настоящее время содержатся в горячих источниках, таких как Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке в США. Горячие источники — это водоемы с подземными водами, которые нагреваются в результате вулканической активности под поверхностью Земли.

Новое исследование пополнило список доказательств того, что древние версии этих горячих источников могли сыграть ключевую роль в возникновении жизни на Земле. Это помогает преодолеть разрыв между конкурирующими гипотезами о том, где могла возникнуть жизнь.

Фиксация углерода — это процесс, с помощью которого живые организмы превращают углекислый газ, содержащийся в воздухе и растворенный в воде, в органические молекулы. Многие формы жизни, включая растения, бактерии и микроорганизмы, известные как археи, используют различные пути для достижения этой цели. Одним из примеров является фотосинтез.

Каждый из этих путей включает в себя каскад ферментов и белков, некоторые из которых содержат ядра из железа и серы. Белки с такими железо-серными кластерами можно найти во всех формах жизни. По мнению исследователей, они восходят к последнему универсальному общему предку — древней клетке, из которой, как предполагают ученые, развилась и диверсифицировалась жизнь, какой мы ее знаем.

Сульфиды железа — это минералы, которые образуются, когда растворенное железо вступает в реакцию с сероводородом — вулканическим газом, из-за которого горячие источники пахнут тухлыми яйцами. При изучении структуры этих сульфидов железа, можно обнаружить, что некоторые из них невероятно похожи на железо-серные кластеры.

Такая связь между сульфидами железа и фиксацией углерода заставила некоторых ученых предположить, что эти минералы сыграли решающую роль в переходе от геохимии ранней Земли к биологии. Исследование расширяет эти знания, изучая химическую активность сульфидов железа в древних наземных горячих жерлах, геохимия которых схожа с геохимией глубоководных источников.

Исследователи построили небольшую камеру, которая позволила им смоделировать среду горячих источников на ранней Земле. Затем они разбросали по камере синтезированные образцы сульфида железа. Некоторые из них были чистыми. В другие были добавлены другие металлы, обычно встречающиеся в горячих источниках. Лампа над этими образцами имитировала солнечный свет на поверхности ранней Земли. Разные источники света использовались для имитации освещения с разным количеством ультрафиолетового излучения.

Через камеру постоянно прокачивали углекислый газ и водород. В экспериментах с глубоководными жерлами было продемонстрировано, что эти газы важны для фиксации углерода. Исследователи обнаружили, что все синтезированные образцы сульфида железа в той или иной степени способны производить метанол — продукт фиксации.

Эти результаты показали, что сульфиды железа могут способствовать фиксации углерода не только в глубоководных гидротермальных жерлах, но и в наземных горячих источниках. Производство метанола также увеличивалось при облучении видимым светом и при более высоких температурах.

Эксперименты с изменением температуры, освещения и содержания водяного пара свидетельствуют о том, что сульфиды железа, вероятно, способствовали фиксации углерода в наземных горячих источниках на ранней Земле. Дополнительные эксперименты и теоретические расчеты показали, что производство метанола происходит по механизму, называемому обратным водогазовым сдвигом.

Похожую реакцию можно наблюдать на примере алгоритма, который используют некоторые бактерии и археи, чтобы превратить углекислый газ в пищу. Этот алгоритм называется «ацетил-КоА» или «путь Вуда-Люнгдаля». Предполагается, что он является самой ранней формой фиксации углерода, возникшей на ранней стадии жизни. Сходство между этими двумя процессами интересно тем, что первый происходит на суше, на краю горячих источников, а второй — во влажной среде внутри клеток.

Исследование также демонстрирует производство метанола в широком диапазоне условий, которые могли быть в ранних горячих источниках Земли. Его результаты расширяют диапазон условий, в которых сульфиды железа могут способствовать фиксации углерода. Они показывают, что это может происходить как в морских глубинах, так и на суше — хотя и через разные механизмы.

Исследователи считают, что эти результаты подтверждают существующий научный консенсус, согласно которому железо-серные кластеры и ацетил-КоА-путь являются древними и, вероятно, сыграли важную роль в возникновении жизни — независимо от того, где это произошло: на суше или на дне моря.

Недавно ученые обнаружили новые доказательства тому, что на Марсе могла быть или даже остается вода. Появляется все больше свидетельств, что в прошлом «красная планета» имела влажный и болотистый климат с озерами и океанами, которые омывали его берега и образовывали отложения.