Ученые воссоздали химические реакции, которые могли привести к зарождению жизни

Фото из открытых источников

Жизнь на Земле, вероятно, зародилась в теплых подводных «химических садах», богатых водородом и железом. Исследователи из Германии смоделировали эту среду в пробирке и обнаружили, что архаичные формы жизни, которые сегодня обитают в глубоком море, могут процветать в этих первобытных условиях. Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.

Трудно представить, как зародилась жизнь на нашей планете. В современных экосистемах жизнь настолько тесно переплетена сама с собой, что очень немногие существа живут непосредственно за счет земного сырья. Так было очень, очень долгое время.

Но первым организмам на безжизненной планете пришлось бы довольствоваться тем, что могла предложить минеральная среда. Кислорода было мало или совсем не было, и не было фотосинтеза. А некоторые глубоководные организмы до сих пор живут таким образом, выживая в гидротермальных источниках на глубинах, куда не проникает солнце.

Заимствуя электроны у водорода, выбрасываемого из ядра Земли, глубоководные микробы следуют рецепту, более древнему, чем гены, которые они используют для его проведения, называемому ацетил-КоА-путь. Это единственный метод фиксации углерода — переработки неорганического углерода в органические соединения — который можно воссоздать без ферментов.

Но когда этот рецепт был впервые написан, в ранние годы существования Земли, морская вода содержала гораздо больше растворенного железа, чем сегодня. Группа под руководством геохимика Ванессы Хельмбрехт из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана в Германии хотела проверить, насколько сильно это растворенное железо могло повлиять на ситуацию, смоделировав эти древние океанические условия в лабораторных условиях.

«Древние залежи гидротермальных отложений, богатых сульфидом железа, в геологической летописи относятся к раннему архейскому эону (от 4 до 3,6 миллиарда лет назад) и содержат ископаемые признаки, интерпретируемые как одни из древнейших признаков жизни на Земле», — пишут исследователи в своей статье, описывающей эксперимент. «Однако связи между абиотическим производством H 2 [дигидрогена] в химических садах на основе сульфида железа, имитирующих [первичные] гидротермальные системы, и ранней жизнью немногочисленны».

В качестве объекта для этих симуляций был выбран одноклеточный микроб из порядка архей Methanocaldococcus jannaschii. Впервые он был собран в гидротермальном источнике у западного побережья Мексики, где, используя путь ацетил-КоА, он использует углекислый газ и водород в качестве основных источников энергии.

«Абиотический H 2 был потенциально важным донором электронов, а CO 2 служил ключевым акцептором электронов для первых клеток», — объясняет группа. «Анаэробные организмы, использующие H 2 -зависимый восстановительный путь ацетил-КоА для фиксации CO 2, являются современными представителями, сохранившими остатки первых метаболизмов».

Эксперименты поместили M. jannaschii в миниатюрную версию глубоководных гидротермальных источников, аккуратно заключенную в стеклянный флакон. Впрыскивая сульфидную жидкость в воду, лишенную растворенного кислорода, они образовали черный осадок, который в течение 5-10 минут превратился в структуру дымохода.

При высоких температурах железо и сера в этом микрокосме образовали минералы сульфида железа макинавит (FeS) и грейгит (Fe 3 S 4). При гидратации сульфида железа выделяется H 2.

Хотя M. jannaschii и сильно отличался от своего современного местообитания, он прекрасно себя чувствовал в этой странной среде.

«Вначале мы ожидали лишь незначительного роста, поскольку не добавляли в эксперимент никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или следов металлов», — говорит Хельмбрехт. «Помимо сверхэкспрессии некоторых генов метаболизма ацетил-КоА, археи на самом деле росли экспоненциально».

Клетки M. jannaschii имели тенденцию располагаться прямо рядом с частицами макинавита, в обстановке, очень похожей на некоторые из самых ранних следов жизни, обнаруженных в ископаемых образцах. Эти химические сады, по мнению ученых, питали первых микробов Земли.

Это свидетельствует о том, что рецепт метаболизма ацетил-КоА возник в экстремальных и энергетически ограниченных условиях, где жизнь на Земле могла зародиться впервые.

«Наше исследование указывает на химические сады макинавита и грейгита как на потенциальные инкубаторы жизни, изначальные среды, которые теоретически могли бы поддерживать непрерывную эволюцию первых метаболизирующих клеток», — заключают авторы.