Nature: вулканические породы ранней Земли содержат реактивный фосфор

Фото из открытых источников

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что магматические породы первобытной земной коры содержали высокореактивные формы фосфора, такие как фосфит и пирофосфат, способные непрерывно поддерживать пребиотическую химию на протяжении миллионов лет.

На протяжении более семи десятилетий фосфор представляет собой один из величайших парадоксов в изучении происхождения жизни. Этот элемент, незаменимый для существования живых существ в том виде, в каком мы их знаем, образует структурную основу ДНК и РНК, позволяет клеткам накапливать и передавать энергию посредством молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и активно участвует в формировании клеточных мембран. Без фосфора биология, проще говоря, не существовала бы.

Однако эта необходимость контрастировала с кажущейся химической невозможностью. Наиболее распространенная форма фосфора на поверхности Земли, фосфат, чрезвычайно стабильна, практически нерастворима в воде и химически неактивна.

Эти свойства, идеально подходящие для поддержания функционирования живых организмов после их образования, были явно неблагоприятны для инициирования пребиотической химии, предшествовавшей появлению первых клеток.

Поэтому вопрос, который исследователи задавали на протяжении десятилетий, был неизбежен: откуда взялся достаточно реакционноспособный фосфор, чтобы запустить первые биохимические реакции?

Недавно опубликованное в журнале Nature Communications международное исследование предлагает ответ, который может коренным образом изменить этот сценарий. Исследовательская группа, в которую входит профессор Марко Виккаро, заведующий кафедрой геохимии и вулканологии факультета биологических, геологических и экологических наук Университета Катании, предполагает, что источник реактивного фосфора не был эпизодическим или исключительным явлением, а присутствовал на Земле с самого её зарождения, будучи интегрированным в вулканические породы, составлявшие большую часть первобытной коры.

Примерно четыре миллиарда лет назад наша планета выглядела совершенно иначе, чем сегодня. Континенты были еще ограничены, в то время как обширные участки базальтов, коматиитов и других мафических и ультрамафических пород покрывали большую часть суши и дна океанов. Эти породы, образованные из магмы с чрезвычайно высокими температурами, представляли собой основную границу между недрами Земли и первобытными океанами.

Исследовательская группа проанализировала образцы из пятнадцати месторождений на разных континентах, включая базальты, коматииты, перидотиты и кристаллы оливина. Используя сложные геохимические методы анализа, ученые смогли различить различные химические формы фосфора, присутствующие в этих породах.

Помимо обычного фосфата, они обнаружили измеримые количества фосфита и пирофосфата — двух форм фосфора, которые значительно более реакционноспособны и, следовательно, потенциально гораздо более важны для пребиотической химии. В некоторых образцах содержание фосфита достигало удивительно высоких значений по отношению к общему содержанию фосфора, в то время как пирофосфат присутствовал в концентрациях, соответствующих его непосредственному образованию в ходе магматических процессов.

Это наблюдение позволяет предположить, что ранние земные породы уже на момент своего образования обладали химическим наследием, гораздо более сложным, чем считалось ранее.

Важность этого открытия заключается в химических свойствах фосфита, которые кардинально отличаются от свойств фосфата. Он примерно в тысячу раз лучше растворяется в природных водах и легче вступает в реакцию с органическими молекулами.

Многочисленные эксперименты по пребиотической химии показали, что восстановленные соединения фосфора могут способствовать реакциям фосфорилирования, которые считаются одним из важнейших этапов образования первых биомолекул.

Пирофосфат, в свою очередь, представляет особый интерес. Эта молекула содержит высокоэнергетическую связь, которая, по крайней мере функционально, напоминает ту, которая в настоящее время используется АТФ в живых клетках.

Хотя авторы исследования не предполагают прямой связи с современными биологическими системами, естественное присутствие пирофосфата в магматических породах открывает новые сценарии относительно доступности энергетически активных молекул на самых ранних этапах истории Земли.

Один из наиболее новаторских аспектов исследования касается механизма образования реактивного фосфора. Гипотезы, сформулированные в последние десятилетия, предполагали относительно редкие процессы: удары метеоритов, содержащие металлические фосфиды, молнии, способные восстанавливать фосфор, или особые высокотемпературные метаморфические события. Все эти механизмы правдоподобны, но неизбежно локализованы в пространстве и времени.

В новом исследовании предлагается принципиально иная модель. Когда морская вода медленно изменяла вулканические породы океанического дна, присутствующие в минералах фосфит и пирофосфат постепенно высвобождались в окружающую среду.

Иными словами, простой процесс химического изменения океанической коры мог обеспечивать непрерывный поток реактивного фосфора в океаны, гидротермальные системы и вулканические озера на протяжении миллионов лет.

Чтобы проверить, может ли этот механизм иметь реальное геохимическое значение, авторы построили количественные модели круговорота фосфора на ранней Земле. Эти модели учитывали как образование фосфита в результате изменения горных пород, так и процессы, приведшие к его исчезновению, такие как фотохимическое окисление, вызванное ультрафиолетовым излучением.

Результаты моделирования показывают, что в глубоких слоях океана концентрация фосфита могла достигать микромолярных значений при наиболее благоприятных условиях. В вулканических озерах, характеризующихся ограниченным воздействием ультрафиолетовых лучей — например, из-за стратифицированной воды или тонких поверхностных пленок, богатых органическим веществом, — концентрация могла достигать десятков микромолей.

По мнению авторов, эти ценности заслуживают серьезного внимания в будущих экспериментах по пребиотической химии.

В совокупности эти результаты представляют собой иную картину ранней Земли, чем традиционная точка зрения. Земная кора больше не рассматривается просто как геологическая основа, на которой разворачивались события, приведшие к возникновению жизни, а как активный участник пребиотической химии.

Вулканические породы накапливали, сохраняли и постепенно высвобождали формы фосфора, гораздо более реакционноспособные, чем простой фосфат, что способствовало созданию химической среды, благоприятной для развития первых метаболических сетей.

Однако исследование оставляет много вопросов открытыми: какие именно реакции включали эти соединения фосфора, какие концентрации были действительно необходимы, насколько широко распространены были благоприятные условия и как они взаимодействовали с другими компонентами пребиотической химии.

Однако это вносит новый и потенциально решающий элемент, демонстрируя, что часть реактивного фосфора могла образоваться непосредственно в результате обычных магматических процессов на планете, а затем распространиться в результате изменения горных пород.

Возможно, на первобытной Земле с самого начала существовала геологическая фабрика реактивных молекул, способная поддерживать на протяжении миллионов лет химические процессы, которые в конечном итоге привели к возникновению жизни.

Это представляет собой фундаментальный сдвиг в перспективе: возникновение жизни было обусловлено не только случайными обстоятельствами, но и внутренними свойствами горных пород, из которых образовалась наша планета.