Ученые воссоздали древние химические реакции, давшие начало жизни

Согласно новым исследованиям, жизнь на нашей планете, вероятно, зародилась в теплых подводных “химических садах”, насыщенных водородом и железом. Немецкие ученые смоделировали эту первобытную среду в лабораторных условиях и выяснили, что древние формы жизни, которые сегодня обитают в глубинах океана, прекрасно себя чувствуют в таких условиях.

Сложно представить, как именно возникла жизнь на Земле. В современных экосистемах жизнь настолько взаимосвязана, что практически ни один организм не существует, напрямую используя только сырые материалы планеты. Так происходит уже очень давно.

Однако первым организмам на безжизненной планете приходилось довольствоваться тем, что предлагала минеральная среда. Кислорода было мало или не было совсем, фотосинтез отсутствовал. Некоторые глубоководные организмы до сих пор живут подобным образом, выживая рядом с гидротермальными источниками на глубинах, куда не проникает солнечный свет.

Эти глубоководные микробы получают электроны от водорода, выбрасываемого из ядра Земли, используя так называемый ацетил-КоА путь — метод более древний, чем гены, которые они применяют для его осуществления. Это единственный способ фиксации углерода (преобразования неорганического углерода в органические соединения), который возможно воссоздать без участия ферментов.

В ранние годы существования Земли морская вода содержала значительно больше растворенного железа, чем сейчас. Команда под руководством геохимика Ванессы Хельмбрехт из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана решила проверить, какое значение имело это растворенное железо, воссоздав древние океанические условия в лаборатории.

Древние гидротермальные отложения, богатые железом и серой, в геологической летописи относятся к раннему архейскому эону (4-3,6 миллиарда лет назад) и содержат ископаемые особенности, которые интерпретируются как одни из древнейших признаков жизни на Земле. Однако связи между абиотическим производством водорода в химических садах железа-серы, имитирующих первобытные гидротермальные системы, и ранней жизнью изучены недостаточно.

Воссоздание колыбели жизни

Глубоководные источники на Срединно-океаническом хребте на глубине более 3000 метров поддерживают экосистемы, существующие в условиях, очень похожих на те, что были на Земле миллиарды лет назад.

Для экспериментов ученые выбрали одноклеточный микроб из отряда архей — Methanocaldococcus jannaschii. Этот организм был впервые обнаружен на гидротермальном источнике у западного побережья Мексики, где он использует ацетил-КоА путь, получая энергию из углекислого газа и водорода.

Абиотический водород был потенциально важным донором электронов, а углекислый газ служил ключевым акцептором электронов для первых клеток. Анаэробные организмы, использующие водород-зависимый восстановительный ацетил-КоА путь для фиксации углекислого газа, являются современными представителями, сохранившими следы первичных метаболических процессов.

В ходе экспериментов M. jannaschii помещали в миниатюрную версию глубоководных гидротермальных источников, созданную в стеклянном флаконе. Введение сульфидной жидкости в воду без растворенного кислорода приводило к образованию черного осадка, который за 5-10 минут формировал структуру, напоминающую дымоход.

При высоких температурах железо и сера в этой микросреде образовывали сульфидные минералы железа — макинавит (FeS) и грейгит (Fe₃S₄). При гидратации сульфида железа выделялся водород.

Неожиданный успех

Несмотря на то, что эта среда сильно отличалась от естественной среды обитания, M. jannaschii активно развивался в этих необычных условиях.

“Изначально мы ожидали лишь незначительного роста, поскольку не добавляли никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или микроэлементов в эксперимент”, — отмечает Хельмбрехт. “Однако помимо повышенной экспрессии некоторых генов ацетил-КоА метаболизма, археи фактически демонстрировали экспоненциальный рост”.

Клетки M. jannaschii располагались непосредственно рядом с частицами макинавита, что напоминает некоторые из самых ранних следов жизни, обнаруженных в ископаемых образцах. Ученые полагают, что подобные химические сады могли быть источником питания для первых микробов Земли.

Это исследование свидетельствует о том, что механизм ацетил-КоА метаболизма возник в экстремальных и энергетически ограниченных средах, где, возможно, и зародилась жизнь на Земле.

“Наше исследование указывает на химические сады макинавита и грейгита как на потенциальные инкубаторы жизни — первобытные среды, которые теоретически могли поддерживать непрерывную эволюцию первых метаболизирующих клеток”, — заключают исследователи.