Около 4 миллиардов лет назад Земля была негостеприимным местом, лишенным кислорода, извергаемым вулканами и бомбардируемым астероидами, без признаков жизни даже в простейших формах. Но где-то посреди этого хаотического периода химический состав Земли повернулся в пользу жизни, породив, как это ни невероятно, самые первые организмы на планете.
Что вызвало этот критический поворотный момент? Как живые организмы сплотились в таком изменчивом мире? И какие химические реакции привели к образованию первых аминокислот, белков и других строительных блоков жизни? Вот некоторые из вопросов, над которыми десятилетиями ломали голову исследователи, пытаясь собрать воедино происхождение жизни на Земле.
Теперь планетологи из Массачусетского технологического института и Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики определили ключевые ингредиенты, которые присутствовали в больших концентрациях примерно в то время, когда на Земле появились первые организмы.
Исследователи обнаружили, что класс молекул, называемых сульфидными анионами, мог содержаться в изобилии в озерах и реках Земли. Они подсчитали, что около 3,9 миллиарда лет назад извергающиеся вулканы выбрасывали в атмосферу огромное количество диоксида серы, который в конечном итоге оседал и растворялся в воде в виде сульфидных анионов, в частности, сульфитов и бисульфитов. Эти молекулы, вероятно, имели возможность накапливаться на мелководье, например, в озерах и реках.
«Мы обнаружили, что в неглубоких озерах эти молекулы были бы неизбежной частью окружающей среды», - говорит Сукрит Ранджан, постдоктор кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института. «Мы пытаемся выяснить, были ли они неотъемлемой частью происхождения жизни».
Предварительная работа Ранджана и его сотрудников предполагает, что сульфидные анионы могли ускорить химические реакции, необходимые для превращения очень простых пребиотических молекул в РНК, генетический строительный блок жизни.
«До этой работы люди понятия не имели, какие уровни сульфидных анионов присутствовали в природных водах на ранней Земле; теперь мы знаем, какими они были», - говорит Ранджан. «Это коренным образом меняет наши знания о ранней Земле и оказывает прямое влияние на лабораторные исследования происхождения жизни».
Ранджан и его коллеги опубликовали сегодня свои результаты в журнале Astrobiology.
Установка стадии ранней Земли
В 2015 году химики из Кембриджского университета во главе с Джоном Сазерлендом, который является соавтором текущего исследования, открыли способ синтеза предшественников РНК с использованием только цианистого водорода, сероводорода и ультрафиолетового света. все ингредиенты, которые, как считается, были доступны на ранней Земле, до появления первых форм жизни.
С химической точки зрения доводы исследователей были убедительны: химические реакции, которые они проводили в лаборатории, преодолели давние химические проблемы и успешно дали жизнь генетическим строительным блокам. Но с точки зрения планетарной науки было неясно, было ли таких ингредиентов достаточно, чтобы запустить первые живые организмы.
Например, кометы, возможно, должны были непрерывно падать дождем, чтобы принести достаточное количество цианистого водорода на поверхность Земли. Между тем сероводород, который в огромных количествах был бы высвобожден при извержениях вулканов, в основном оставался бы в атмосфере, так как молекула относительно нерастворима в воде, и поэтому не имела бы регулярных возможностей взаимодействовать с цианистым водородом.
Вместо того, чтобы подойти к загадке происхождения жизни с точки зрения химии, Ранджан посмотрел на нее с планетарной точки зрения, пытаясь определить реальные условия, которые могли существовать на ранней Земле примерно в то время, когда появились первые организмы..
«Областью происхождения жизни традиционно занимались химики, которые пытались выяснить химические пути и увидеть, как природа могла действовать, чтобы дать нам происхождение жизни», - говорит Ранджан. «Они отлично справляются с этим. Чего они не делают так подробно, так это того, что они не спрашивают, какими были условия на ранней Земле до возникновения жизни? Могли ли сценарии, которые они вызывают, действительно иметь место? знаю, какова была постановка сцены."
Собираем ингредиенты для жизни
В августе 2016 года Ранджан выступил с докладом в Кембриджском университете о вулканизме на Марсе и типах газов, которые могли быть выброшены в результате таких извержений в бескислородной атмосфере красной планеты. Химики, участвовавшие в докладе, поняли, что такие же общие условия существовали на Земле до начала жизни.
«Они вынесли из этого [разговора], что на ранней Земле у вас не так много кислорода, но у вас есть диоксид серы от вулканизма», - вспоминает Ранджан. «Как следствие, у вас должны были быть сульфиты. И они сказали:« Можете ли вы сказать нам, сколько этой молекулы должно было быть?» И это то, что мы намеревались ограничить».
Для этого он начал с модели вулканизма, разработанной ранее Сарой Сигер, профессором планетарных наук Массачусетского технологического института в 1941 году, и ее бывшим аспирантом Рэнью Ху.
"Они провели исследование, в котором задали вопрос: "Предположим, вы возьмете Землю и просто увеличите количество вулканизма на ней. Какую концентрацию газов вы получите в атмосфере?"" - говорит Ранджан.
Он сверился с геологическими записями, чтобы определить количество вулканических извержений, которые, вероятно, имели место около 3.9 миллиардов лет назад, примерно в то же время, когда, как считается, появились первые формы жизни, а затем проверили типы и концентрации газов, которые, согласно расчетам Сигера и Ху, произвело такое количество вулканизма..
Затем он написал простую модель водной геохимии, чтобы рассчитать, сколько этих газов растворилось бы в мелководных озерах и водохранилищах - средах, которые были бы более благоприятными для концентрации реакций формирования жизни, по сравнению с обширными океанами, где молекулы могут легко рассеяться.
Интересно, что при проведении этих расчетов он обратился к литературе по довольно неожиданной теме: виноделие - наука, которая частично включает растворение диоксида серы в воде для получения сульфитов и бисульфитов в бескислородных условиях, подобных тем, что были на ранней Земле..
«Когда мы работали над этой статьей, многие константы и данные, которые мы извлекли, были взяты из журналов по химии вина, потому что на современной Земле у нас бескислородная среда», - говорит Ранджан.«Поэтому мы взяли аспекты химии вина и спросили: «Предположим, у нас есть x количество диоксида серы. Сколько его растворяется в воде, и во что он затем превращается?»
Обсуждение сообщества
В конечном счете, он обнаружил, что, хотя извержения вулканов выбрасывали в атмосферу огромные количества как диоксида серы, так и сероводорода, именно первый легче растворялся на мелководье, образуя большие концентрации сульфидных анионов, в в виде сульфитов и бисульфитов.
«Во время крупных извержений вулканов в озерах могли быть миллимолярные уровни этих соединений, что соответствует концентрации этих молекул на лабораторном уровне», - говорит Ранджан. "Это титаническая сумма."
Новые результаты указывают на сульфиты и бисульфиты как на новый класс молекул - те, которые были фактически доступны на ранней Земле - которые химики теперь могут протестировать в лаборатории, чтобы увидеть, могут ли они синтезировать из этих молекул прекурсоры для жизнь.
Ранние эксперименты, проведенные коллегами Ранджана, показывают, что сульфиты и бисульфиты действительно могли стимулировать образование биомолекул. Команда провела химические реакции для синтеза рибонуклеотидов с сульфитами и бисульфитами, а не с гидросульфидом, и обнаружила, что первые способны производить рибонуклеотиды и родственные молекулы в 10 раз быстрее, чем последние, и с более высокими выходами. Необходима дополнительная работа, чтобы подтвердить, действительно ли сульфидные анионы были ранними ингредиентами при зарождении первых форм жизни, но сейчас почти нет сомнений в том, что эти молекулы были частью пребиотической среды.
На данный момент Ранджан говорит, что результаты открывают новые возможности для сотрудничества.
«Это демонстрирует потребность в том, чтобы люди в сообществе планетарных ученых и сообществе происхождения жизни общались друг с другом», - говорит Ранджан. «Это пример того, как перекрестное опыление между дисциплинами действительно может привести к простым, но надежным и важным выводам."