Воссоздание условий на молодой Земле, как важный шаг к истокам жизни

Большие концентрации сульфитов и гидросульфитов в мелководных озерах, возможно, заложили основу для первых биологических молекул на нашей планете.

Извержения вулканов около 3,9 миллиарда лет назад привели к выбросам огромного количества оксида серы в атмосферу Земли, который в конечном итоге осел и растворился в воде в виде сульфидных анионов, в частности, сульфитов и гидросульфитов.  Обилие этих элементов в реках и озерах могло послужить толчком к химическим реакциям, необходимым для преобразования очень простых пребиотических молекул в РНК, генетический строительный блок жизни. Результаты исследования представлены в журнале Astrobiology.

«Мы обнаружили, что в мелководных озерах эти молекулы были неотъемлемой частью водной среды. А вот являются ли они неотъемлемой частью процессов, приведших к зарождению жизни, нам предстоит выяснить», – рассказывает Сукрит Ранджан, планетолог из Массачусетского технологического института (США).

Примерно 4 миллиарда лет назад Земля была негостеприимным местом без кислорода. Она постоянно содрогалась от извержений вулканов и бомбардировок астероидами. На ней не было признаков жизни даже в самых простых формах. Но в какой-то момент этот хаос создал первые организмы.

Что вызвало критический поворотный момент? Что могло развиться и выжить в таком неспокойном мире? И каковы химические реакции, которые создали первые аминокислоты, белки и другие строительные блоки жизни? Это вопросы, на которые исследователи десятилетиями ищут ответы, пытаясь найти истоки жизни на нашей планете.

«Ранее мы понятия не имели, какое количество сульфидных анионов присутствовало в естественных водах на ранней Земле. Теперь мы знаем, что их было в изобилии. Это в корне меняет наши знания о ранней Земле и оказывает непосредственное влияние на лабораторные исследования происхождения жизни», – пояснил Сукрит Ранджан.

Назад к истокам

В 2015 году химики из Кембриджского университета (Великобритания) смогли синтезировать предшественников РНК с использованием только цианистого водорода, сероводорода и ультрафиолета. Все эти компоненты были доступны на Земле до появления первых форм жизни. С точки зрения химии, исследование было убедительным: химические реакции, которые они проводили в лаборатории, преодолели давние химические проблемы и успешно обеспечили генетические строительные блоки для жизни. Но с точки зрения планетарной науки было неясно, были ли такие ингредиенты достаточно многочисленными, чтобы дать старт первым живым организмам.

Например, кометам, возможно, приходилось бы непрерывно падать на Землю, чтобы принести достаточное количество цианистого водорода на поверхность. Сероводород, который высвобождался в огромных количествах при извержениях вулканов, в основном оставался в атмосфере, и, поскольку он плохо растворяется в воде, постоянное взаимодействие с цианистым водородом было бы затруднительно.

Вместо того, чтобы приближаться к разгадке истоков жизни с точки зрения химии, в новом исследовании Сукрит Ранджан посмотрел на проблему с планетарной точки зрения, пытаясь определить реальные условия, которые могли существовать на ранней Земле примерно в то время, когда появились первые организмы.

«Изучение происхождения жизни традиционно возглавлялось химиками, которые пытаются выяснить пути и посмотреть, как природа могла действовать, чтобы дать нам жизнь. Но они не спрашивают себя, каковы были условия на Земле в то время. Могут ли сценарии, воспроизведенные ими, на самом деле существовать?» – добавил планетолог.

Виноделие и пребиотическая химия

В августе 2016 года Сукрит Ранджан выступил в Кембриджском университете, рассказывая о вулканизме на Марсе и о типах газов, которые могли выбрасываться в ходе извержений в бескислородную атмосферу Красной планеты. Химики на этой встрече узнали, что такие же условия были на Земле до появления жизни.

«Они увезли с собой понимание того, что на молодой Земле было мало кислорода, но было много двуокиси серы от вулканизма и, как следствие, сульфитов. И тогда химики спросили меня: можете ли вы нам сказать, какое количество этих молекул было на молодой Земле?» – вспоминает ученый.

В поисках ответа на этот вопрос Сукрит Ранджан обратился к предыдущим исследованиям его коллег, в которых описывались масштабы извержений 3,9 миллиарда лет назад и концентрации газов, высвобождаемых в ходе этих процессов. Затем планетолог прибегнул к помощи простой модели водной геохимии, чтобы рассчитать, сколько из этих газов могло быть растворено в мелководных озерах и водохранилищах – средах, которые были наиболее благоприятными для проведения необходимых для зарождения жизни реакций по сравнению с обширными океанами, где молекулы могли легко рассеиваться.

Интересно, что в ходе исследования Сукриту Ранджану пришлось углубиться в довольно неожиданную тему – виноделие, науку, которая включает растворение двуокиси серы в воде для производства сульфитов и гидросульфитов в бескислородных условиях, подобно тому, что могло происходить на ранней Земле.

«Когда мы работали над этой статьей, многие данные, которые мы принимали во внимание, были из журналов по производству вина. После изучения всех аспектов настал момент понять, сколько же двуокиси серы от общего количества может раствориться в воде и чем она в итоге станет», – продолжает ученый.

Смешение наук

В конечном счете планетолог обнаружил, что хотя извержения вулканов выбрасывали огромное количество двуокиси серы и сероводорода в атмосферу, только первая из них относительно легко растворялась на мелководье, создавая большие концентрации сульфидных анионов в форме сульфитов и гидросульфитов.

Новые результаты указывают на эти соединения, как новый класс молекул, которые фактически были доступны на ранней Земле. Теперь химики смело могут проводить испытания в лаборатории, чтобы увидеть, возможно ли из них синтезировать строительные блоки жизни.

Ранние эксперименты, проведенные коллегами Сукрита Ранджана, предполагают, что сульфиты и гидросульфиты, возможно, способствовали образованию биомолекул. И хотя требуются дополнительные исследования, чтобы подтвердить, действительно ли сульфидные анионы были ранними ингредиентами для первых форм жизни, сейчас нет никаких сомнений, что эти молекулы являлись частью пребиотической среды.

«Эта история свидетельствует о необходимости сотрудничества планетарных ученых с теми, кто пытается понять происхождение жизни на Земле. Пересечение разных дисциплин может дать простую, но прочную и очень важную информацию», – заключил  Сукрит Ранджан.

Роман Захаров

Источник: in-space.ru