Условия, подходящие для устойчивой предбиологической химии, могли сформироваться на Земле около 4,33 миллиарда лет назад — всего через несколько сотен миллионов лет после образования планеты. К такому выводу пришли исследователи, смоделировавшие, как астероиды, кометы и остаточные планетезимали нагревали земную кору в первый миллиард лет её истории.
Команда под руководством Олега Абрамова из Института планетологии США построила трёхмерную модель бомбардировки ранней Земли в период от 4,5 до 3,5 миллиарда лет назад. В расчётах учитывались частота и энергия столкновений, нагрев коры, последующее охлаждение и образование гидротермальных систем. Модель ограничивали данными о кратерах на Луне, содержанием сидерофильных элементов в земной мантии и возрастом древнейших цирконов.
Исследователей интересовал так называемый РНК-мир — гипотетический ранний этап эволюции жизни, когда основную роль в хранении наследственной информации и некоторых химических реакциях могли выполнять молекулы РНК ещё до появления современной системы с ДНК и белками.
Для возникновения такого этапа недостаточно кратковременного охлаждения поверхности. Молекулам необходимо достаточно долго сохраняться, взаимодействовать и участвовать в химических реакциях. Мощный удар крупного астероида способен снова резко нагреть уже остывший участок коры и разрушить накопившиеся органические молекулы.
Расчёты показали, что примерно до 4,4 миллиарда лет назад подобные события происходили достаточно часто, чтобы не позволять подходящим условиям сохраняться надолго. Горячие выбросы после столкновений, конденсация испарённых пород и высокий внутренний тепловой поток неоднократно нагревали приповерхностные области.
После отметки около 4,4 миллиарда лет ситуация начала меняться. В верхних слоях коры стали появляться области, которые после охлаждения больше никогда не нагревались выше установленного авторами порога в 110 °C. Исследователи называют их «никогда больше не стерилизованными» зонами.
Такие устойчивые области постепенно расширялись. К 4,3 миллиарда лет назад более 90% рассматриваемого объёма приповерхностной коры в модели уже находилось в условиях ниже 110 °C, а примерно к 4,25 миллиарда лет назад «никогда больше не стерилизованные» области занимали более половины моделируемого объёма.
Однако уменьшение числа крупных столкновений имело и другую сторону. Удары не только уничтожали подходящие для органических молекул условия, но и создавали гидротермальные системы. После столкновения вода могла циркулировать через нагретые и раздробленные породы, формируя среды с жидкой водой, теплом и источниками химической энергии.
Поэтому наиболее благоприятным оказался переходный период. Около 4,4 миллиарда лет назад глобально разрушительные последствия бомбардировки уже ослабевали, но столкновения всё ещё создавали многочисленные гидротермальные системы. Число связанных между собой гидротермальных областей в модели достигало максимума примерно 4,3 миллиарда лет назад.
Сопоставив несколько критериев — устойчивость биомолекул, прекращение повторного сильного нагрева и распространённость гидротермальных сред, — авторы получили наиболее благоприятный период около 4,33 миллиарда лет назад. Они называют его временным «оптимумом» для возникновения РНК-мира.
Эта дата хорошо согласуется с независимыми оценками времени существования последнего универсального общего предка современных организмов — LUCA. Согласно молекулярным часам, использованным авторами, эта популяция могла существовать примерно 4,09–4,33 миллиарда лет назад. Исследователи подчёркивают, что LUCA не был первой жизнью на Земле: до него должна была существовать более ранняя история биологической эволюции.
Модель не показывает, что жизнь действительно возникла ровно 4,33 миллиарда лет назад. Она определяет период, когда физические условия на молодой Земле могли впервые стать достаточно стабильными для длительной предбиологической химии и одновременно сохранять большое количество богатых энергией гидротермальных сред.
Результат также зависит от предположений о частоте древних столкновений, количестве доставленного на Землю вещества, начальном состоянии коры и температурных пределах устойчивости различных биомолекул. Авторы проверили несколько вариантов бомбардировки и начальных условий и во всех случаях получили переход к более устойчивой среде после примерно 4,4 миллиарда лет назад.
Если эти расчёты близки к реальности, подходящие для химического происхождения жизни среды могли появиться на Земле очень быстро по геологическим меркам — менее чем через 250 миллионов лет после формирования планеты. Дальнейшие исследования древнейших минералов, ранней геохимии Земли и происхождения РНК должны помочь проверить, насколько этот временной интервал соответствует реальной истории возникновения жизни.
Исследование в журнале Nature Communications.