Исследователи смоделировали древнейшие химические процессы зарождения жизни

Недавние научные работы показывают, что первые формы жизни могли появиться в подводных “химических садах” — горячих участках морского дна, богатых водородом и соединениями железа. Немецкая исследовательская группа воспроизвела подобную первобытную обстановку в своих лабораториях и обнаружила, что архаичные микроорганизмы, существующие сегодня в океанских глубинах, отлично развиваются в таких экстремальных условиях.

Понять точные механизмы возникновения земной жизни крайне сложно. В нынешних биосферах все живые существа настолько тесно связаны друг с другом, что практически ни один вид не может напрямую использовать лишь неорганические ресурсы планеты. Такая ситуация сложилась уже миллиарды лет назад.

Но самые первые земные организмы были вынуждены выживать исключительно за счет того, что могла предложить минеральная среда планеты. Кислорода тогда было крайне мало или не было вовсе, процесс фотосинтеза еще не существовал. Некоторые глубоководные микробы и сегодня ведут похожий образ жизни, обитая возле термальных источников на таких глубинах, куда совершенно не доходит солнечный свет.

Эти обитатели океанских глубин извлекают электроны из водорода, который выходит из земных недр, применяя так называемый ацетил-КоА механизм — способ более старый, чем гены, которые они используют для его реализации. Это единственный известный метод углеродной фиксации (превращения неорганического углерода в органические молекулы), который можно воспроизвести без биологических катализаторов.

В первые эпохи земной истории океанская вода содержала намного больше растворенного железа, чем в наше время. Исследовательская команда под руководством геохимика Ванессы Хельмбрехт из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана решила выяснить, какую роль играло это растворенное железо, воссоздав условия древних океанов в лабораторных условиях.

Древние гидротермальные отложения с высоким содержанием железа и серы в геологических пластах раннего архейского периода (4-3,6 млрд лет назад) включают окаменелые структуры, которые считаются одними из самых ранних свидетельств земной жизни. Однако взаимосвязи между небиологическим образованием водорода в железо-серных химических садах, имитирующих древние гидротермальные системы, и ранними формами жизни остаются малоизученными.

Создание модели колыбели жизни

Глубоководные термальные источники Срединно-Атлантического хребта на глубинах свыше 3000 метров поддерживают экосистемы, живущие в условиях, очень схожих с теми, что существовали на планете миллиарды лет назад.

Для своих опытов исследователи взяли одноклеточный микроорганизм из группы архей — Methanocaldococcus jannaschii. Этот организм впервые был найден на гидротермальном источнике у берегов Мексики, где он применяет ацетил-КоА механизм, извлекая энергию из диоксида углерода и водорода.

Небиологический водород являлся потенциально важным источником электронов, а диоксид углерода служил основным акцептором электронов для первичных клеток. Анаэробные микроорганизмы, применяющие водород-зависимый восстановительный ацетил-КоА путь для усвоения углекислого газа, представляют собой современных потомков, сохранивших черты древнейших метаболических механизмов.

В экспериментах M. jannaschii размещали в миниатюрной копии глубоководных термальных источников, созданной в стеклянной колбе. Добавление сульфидного раствора в бескислородную воду приводило к появлению темного осадка, который за 5-10 минут формировал структуру, похожую на трубу.

При повышенных температурах железо и сера в этой микросистеме образовывали железосульфидные минералы — макинавит (FeS) и грейгит (Fe₃S₄). При взаимодействии сульфида железа с водой происходило выделение водорода.

Поразительные результаты

Несмотря на то, что созданная среда значительно отличалась от природной среды обитания, M. jannaschii прекрасно размножался в этих необычных условиях.

“Первоначально мы рассчитывали только на минимальный рост, поскольку не вводили никаких дополнительных питательных элементов, витаминов или микроэлементов в нашу систему”, — говорит Хельмбрехт. “Однако помимо усиленной активности некоторых генов ацетил-КоА метаболизма, археи показали настоящий экспоненциальный рост”.

Клетки M. jannaschii размещались прямо около частиц макинавита, что напоминает некоторые древнейшие признаки жизни, найденные в окаменелостях. Ученые считают, что такие химические сады могли служить источником питания для первых земных микробов.

Данное исследование демонстрирует, что ацетил-КоА метаболический механизм появился в экстремальных и энергетически ограниченных условиях, где, возможно, и зародилась земная жизнь.

“Наша работа указывает на химические сады макинавита и грейгита как на возможные инкубаторы жизни — первобытные условия, которые теоретически могли поддерживать постоянную эволюцию первых метаболизирующих клеток”, — заключают ученые.