Три миллиарда лет назад жизнь на Земле зависела от редкого металла
Международная группа учёных пришла к выводу, что жизнь на Земле более трёх миллиардов лет назад уже использовала редкий металл молибден, несмотря на его крайне низкую доступность в древних океанах. Это первое исследование, которое убедительно показывает столь раннее применение молибдена биологическими системами в истории планеты.
Сегодня молибден играет ключевую роль в биохимии живых организмов, ускоряя жизненно важные реакции внутри клеток. Он входит в состав ферментов, участвующих в основных процессах обмена веществ, включая реакции углеродного, азотного и серного циклов. Эти процессы имеют значение не только для отдельных организмов, но и для глобальных биогеохимических циклов Земли, таких как азотный цикл. Без молибдена подобные реакции могли бы происходить, но их скорость была бы слишком низкой для устойчивого существования жизни.
Руководитель лаборатории Какачер из Университета Висконсин-Мэдисон Бетюль Качар отметила, что молибден находится в каталитическом центре ферментов, управляющих ключевыми химическими превращениями. По её словам, вопрос о том, когда жизнь начала использовать молибден, фактически означает определение момента, когда стали возможны наиболее важные метаболические стратегии, определившие дальнейшую эволюцию живых организмов.
Геологические данные показывают, что в древних океанах Земли молибден присутствовал лишь в следовых количествах. Его концентрация начала расти примерно в период, когда микроорганизмы освоили фотосинтез, что впоследствии привело к значительному увеличению содержания кислорода в атмосфере около 2,45 миллиарда лет назад. Этот этап известен как Великое кислородное событие и оказал фундаментальное влияние на эволюцию жизни. Ранее исследования NASA также предполагали, что рост доступности молибдена мог быть важным фактором, способствующим развитию сложных форм жизни.
Однако происхождение раннего использования молибдена долго оставалось предметом научных дискуссий. Из-за его дефицита в древней среде существовала гипотеза, что первые живые системы могли сначала использовать другие металлы, например вольфрам, который по химическим свойствам похож на молибден и применяется некоторыми современными микроорганизмами, живущими в экстремальных условиях. Предполагалось, что молибден стал использоваться позже, когда его концентрация в окружающей среде выросла.
Новое исследование опровергает эту упрощённую модель. Учёные проанализировали данные о распределении молибдена в разные геологические эпохи и реконструировали эволюцию его использования в древних линиях жизни. Результаты показали, что как системы, использующие молибден, так и системы, использующие вольфрам, имеют корни, уходящие в архейский эон. Это указывает на то, что ранние микроорганизмы могли использовать оба металла одновременно, а не переходить от одного к другому последовательно. Молекулярные данные показывают, что использование молибдена относится к периоду примерно от 3,7 до 3,1 миллиарда лет назад, задолго до Великого кислородного события.
Особую роль в обеспечении ранней жизни металлами могли играть гидротермальные источники на дне океана. Такие системы способны локально концентрировать различные элементы, включая железо, цинк, медь, никель, марганец, ванадий, молибден, кобальт и вольфрам. Даже при общей бедности океана молибденом подобные зоны могли обеспечивать его достаточные концентрации для биохимических процессов.
Учёные отмечают, что молибден, несмотря на свою редкость в ранней среде, мог быть «выбран» эволюцией благодаря широким каталитическим возможностям и эффективности в различных окислительно-восстановительных реакциях. Это означает, что его химические преимущества могли перевесить проблему дефицита, стимулируя развитие механизмов его захвата и использования.
Полученные результаты имеют значение не только для понимания ранней истории Земли, но и для поиска жизни за её пределами. Они показывают, что живые системы способны адаптироваться к ограниченным ресурсам и использовать доступные элементы неожиданным образом. Это расширяет представления о потенциальной обитаемости других планет, где химический состав и история атмосферы могут сильно отличаться от земных условий. В рамках астробиологических исследований подчёркивается необходимость учитывать эволюционные, окислительно-восстановительные и металл-зависимые стратегии жизни, а не ограничиваться поиском аналогов современной Земли.
Исследование в журнале Nature Communications.