Новое исследование Массачусетского технологического института показало, что примитивные водоемы могли стать подходящей средой для зарождения первых форм жизни на Земле, в большей степени, чем океаны.
Исследователи сообщают, что неглубокие водоемы глубиной порядка 10 сантиметров могли содержать высокие концентрации того, что многие ученые считают ключевым компонентом для зарождения жизни на Земле: азота.
В неглубоких водоемах азот в форме оксидов азота имел хорошие шансы накопиться в достаточном количестве, чтобы вступить в реакцию с другими соединениями и дать начало первым живым организмам. Исследователи говорят, что в гораздо более глубоких океанах азоту было бы труднее установить значимое, катализирующее жизнь присутствие..
«Наш общий посыл таков: если вы считаете, что для возникновения жизни требовался фиксированный азот, как это делают многие люди, то трудно предположить, что зарождение жизни произошло в океане», - говорит ведущий автор Сукрит Ранджан, постдок. в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Гораздо проще, чтобы это случилось в пруду».
Ранджан и его коллеги опубликовали свои результаты сегодня в журнале «Геохимия, геофизика, геосистемы». Соавторами статьи являются Эндрю Баббин, доцент Доэрти по использованию океана в EAPS, а также Зои Тодд и Димитар Саселов из Гарвардского университета и Пол Риммер из Кембриджского университета.
Разрыв связи
Если примитивная жизнь действительно возникла в результате ключевой реакции с участием азота, ученые полагают, что это могло произойти двумя способами. Первая гипотеза связана с глубинами океана, где азот в форме оксидов азота мог реагировать с углекислым газом, выделяющимся из гидротермальных жерл, с образованием первых молекулярных строительных блоков жизни.
Вторая основанная на азоте гипотеза происхождения жизни связана с РНК - рибонуклеиновой кислотой, молекулой, которая сегодня помогает кодировать нашу генетическую информацию. В своей примитивной форме РНК, вероятно, представляла собой свободно плавающую молекулу. Некоторые ученые считают, что при контакте с оксидами азота РНК могла быть химически индуцирована для образования первых молекулярных цепочек жизни. Этот процесс образования РНК мог происходить либо в океанах, либо в мелководных озерах и прудах.
Окиси азота, вероятно, откладывались в водоемах, включая океаны и пруды, как остатки распада азота в атмосфере Земли. Атмосферный азот состоит из двух молекул азота, связанных прочной тройной связью, которая может быть разорвана только чрезвычайно энергичным событием, а именно молнией.
«Молния похожа на очень мощную бомбу», - говорит Ранджан. «Он производит достаточно энергии, чтобы разорвать тройную связь в нашем атмосферном газообразном азоте, чтобы произвести оксиды азота, которые затем могут падать дождем в водоемы».
Ученые считают, что молний, потрескивающих в ранней атмосфере, могло быть достаточно, чтобы произвести большое количество оксидов азота, которые способствовали зарождению жизни в океане. Ранджан говорит, что ученые предположили, что этот запас оксидов азота, генерируемых молнией, был относительно стабильным после того, как эти соединения попали в океаны.
Однако в этом новом исследовании он выделяет два значительных «поглотителя» или эффектов, которые могли разрушить значительную часть оксидов азота, особенно в океанах. Он и его коллеги просмотрели научную литературу и обнаружили, что оксиды азота в воде могут разрушаться под воздействием солнечного ультрафиолетового света, а также растворенного железа, отслаивающегося от примитивных океанических пород.
Ранджан говорит, что и ультрафиолетовое излучение, и растворенное железо могли разрушить значительную часть оксидов азота в океане, отправив соединения обратно в атмосферу в виде газообразного азота.
Мы показали, что если вы включите эти два новых поглотителя, о которых люди не думали раньше, это снизит концентрацию оксидов азота в океане в 1000 раз по сравнению с тем, что люди рассчитали раньше, - говорит Ранджан.
Строительство собора
В океане ультрафиолетовый свет и растворенное железо сделали бы оксиды азота гораздо менее доступными для синтеза живых организмов. Однако в неглубоких прудах у жизни было бы больше шансов закрепиться. Это в основном потому, что пруды имеют гораздо меньший объем, в котором можно разбавлять соединения. В результате концентрация оксидов азота в прудах достигла бы гораздо более высоких концентраций. Любые «поглотители», такие как ультрафиолетовый свет и растворенное железо, оказали бы меньшее влияние на общую концентрацию соединения.
Ранджан говорит, что чем мельче пруд, тем выше вероятность того, что оксиды азота должны были взаимодействовать с другими молекулами, и особенно с РНК, чтобы катализировать первые живые организмы.
«Эти пруды могли быть глубиной от 10 до 100 сантиметров, с площадью поверхности в десятки квадратных метров и больше», - говорит Ранджан. «Они были бы похожи на современный пруд Дон Жуан в Антарктиде, глубина которого в летний сезон составляет около 10 сантиметров».
Это может показаться незначительным водоемом, но он говорит, что дело именно в этом: в более глубоких или больших средах оксиды азота были бы просто слишком разбавлены, что исключало бы какое-либо участие в химии происхождения жизни.. Другие группы подсчитали, что около 3,9 миллиарда лет назад, как раз перед тем, как на Земле появились первые признаки жизни, во всем мире могло быть около 500 квадратных километров неглубоких прудов и озер..
«Это совсем крошечное место по сравнению с площадью озера, которая у нас есть сегодня», - говорит Ранджан. «Тем не менее, по сравнению с площадью поверхности, которая, как постулируют химики-пребиотики, необходима для начала жизни, этого вполне достаточно».
Спор о том, возникла ли жизнь в прудах или в океанах, не совсем разрешен, но Ранджан говорит, что новое исследование предоставляет одно убедительное доказательство в пользу первого.
«Эта дисциплина не похожа на опрокидывание ряда домино, а больше похожа на строительство собора», - говорит Ранджан. «Нет настоящего момента «ага». Это больше похоже на терпеливое построение одного наблюдения за другим, и вырисовывается картина, что в целом многие пути синтеза пребиотиков кажутся химически более легкими в прудах, чем в океанах».