Ученые объяснили, как появился неожиданный химический герой ранней Земли

Фото из открытых источников

В химическом бульоне ранней Земли токсичный цианистый водород (HCN) был неожиданным и незаменимым ингредиентом. Хотя он губителен для всех форм жизни, кроме немногих, HCN лежит в основе множества пребиотических химических реакций. Без него жизнь, возможно, никогда бы не зародилась на нашей планете.

Хотя это всего лишь простая молекула с тремя атомами, её важность в химии невозможно переоценить. Химики спорят о том, следует ли её относить к органическим соединениям, но её роль в создании строительных блоков жизни неоспорима. Она является предшественником как аминокислот, так и нуклеиновых кислот.

Вопросы о цианистом водороде (HCN) и его роли в возникновении жизни сосредоточены на его происхождении и поведении на примитивной Земле. Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences и ведущим автором которого является Цзенинг Ян из Института наук о Земле и жизни Института будущих наук Токийского научного института, утверждает, что разгадало давнюю загадку происхождения HCN. 

Одна из давних моделей возникновения жизни касается цианистого водорода (HCN) и того, как он появился. Ранняя Земля имела восстановительную атмосферу, и наличие метана создавало условия для образования HCN. Однако недавние исследования, возможно, опровергли эту модель, показав, что в атмосфере, вероятно, отсутствовало достаточное количество метана, что перекрыло канал образования HCN и всего, что последовало за ним.

«Происхождение жизни в значительной степени зависит от реакционноспособных предшественников углерода и азота, среди которых цианистый водород (HCN) является одной из наиболее универсальных молекул, которые можно использовать для синтеза почти всех необходимых биомолекул», — пишут они. «Однако недавние геохимические исследования вызвали опасения по поводу доступности HCN, поскольку высоковосстановительная атмосфера, богатая метаном, необходимая для синтеза HCN, считается неопределенной».

Однако в ходе этого исследования авторы обнаружили способ, благодаря которому HCN мог появиться и без метана: с помощью самих аминокислот.

Цианистый водород (HCN) является предшественником некоторых аминокислот, но другие аминокислоты широко обнаруживаются в космосе. Их находили в газовых облаках, а также на астероидах и кометах. Эти аминокислоты могли быть в большом количестве на ранней Земле и иметь решающее значение для образования HCN, даже несмотря на отсутствие метана.

«В отличие от метана, аминокислоты могут синтезироваться различными химическими путями и поступать извне; таким образом, аминокислоты, вероятно, были широко распространены в пребиотическом мире», — объясняют авторы. Они сообщают о новом водном пути образования HCN из аминокислот, который стимулируется минералом: диоксидом марганца (MnO2).

Они начали с предположения, что минералы, присутствовавшие на ранней Земле, могли сыграть роль в превращении HCN в аминокислоты в присутствии воды, несмотря на отсутствие атмосферного метана в то время. Затем они провели лабораторные исследования 38 встречающихся в природе минералов, чтобы определить, могут ли они превратить глицин в HCN в бескислородных условиях. Они выбрали глицин по нескольким причинам. «Глицин был выбран потому, что это самая простая и наиболее распространенная аминокислота на ранней Земле, и ее можно получить метано-независимыми путями, включая электрический разряд, УФ-излучение и гидротермальные реакции», — объясняют исследователи. Глицин также был обнаружен в метеорите здесь, на Земле, в образце с кометы Wild 2 и на комете 67P/Чурюмов-Герасименко космическим аппаратом Rosetta Европейского космического агентства, и эти обнаружения подтверждают его пригодность для этих экспериментов.

В число исследованных минералов входили силикаты, такие как оливин и серпентин, а также оксиды, сульфиды и элементарные металлы. Из 38 минералов три — диоксид марганца (MnO2), оксид меди(I) и гидроксид меди — выделяли значительные количества HCN. Однако концентрация HCN в MnO2 была на два порядка выше, чем в остальных.

Важно отметить, что образование HCN не ограничивалось одним конкретным набором условий. «Реакция образования цианида, стимулированная MnO2, протекала в широком диапазоне геологически правдоподобных условий от щелочных до кислых (pH от 2,0 до 12,6), а также демонстрировала широкую температурную устойчивость (от 6 до 60 °C)», — пишут авторы.

Конечно, это основано на наличии MnO2 на ранней Земле. «Марганец (Mn) — третий по распространенности переходный металл в земной коре после железа и титана, и считается, что он был широко распространен на ранней Земле», — объясняют авторы. Поскольку ультрафиолетовое излучение было повсеместным на поверхности ранней Земли и легко проникало в мелководье, исследователи говорят, что MnO2 мог образовываться посредством фотохимии в мелководных пресноводных и щелочных карбонатных озерах. «Благодаря этим процессам восстановленный пул MnO2, образованный глицином, мог восстанавливаться для поддержания образования HCN на поверхности Земли в гадейский период», — объясняют исследователи.

«В совокупности наши результаты показывают, что HCN мог непрерывно поступать на раннюю Землю без участия богатого метаном воздуха, а вместо этого образовываться из обильных аминокислот, производимых независимыми от метана пребиотическими путями или доставляемых метеоритами», — пояснил соавтор исследования профессор Рюхэй Накамура из Токийского института науки.

Соавтор исследования Ямей Ли, также из Токийского института науки, отмечает, что современная биология также производит HCN по аналогичному пути, что подтверждает полученные результаты. «Поскольку современные биологические системы также производят HCN из аминокислот через аналогичные промежуточные соединения, недавно выявленная реакция представляет собой поразительную химическую параллель между пребиотическими процессами и современными путями эволюции жизни, предлагая новый взгляд на химическую эволюцию», — говорит Ли.

Мы, возможно, никогда точно не узнаем, как и когда впервые появилась жизнь на Земле. Если мы когда-нибудь достигнем этого понимания, то это будет благодаря таким постепенным исследованиям, как это. Химия подобна соединительному мосту, с одной стороны которого находится биология, а с другой — геология. Учёные никогда не смогут вернуться в прошлое и секвенировать первую ДНК, и не существует ископаемых останков, относящихся к самым ранним временам существования земной лаборатории.

В химии не происходит мутаций, и химические связи ведут себя одинаково на протяжении миллиардов лет. Именно химия породила жизнь на Земле, и именно такие исследования позволяют нам её понять.