Учёные обнаружили в вулканических породах древней Земли реактивный фосфор, способный поддерживать химию зарождения жизни
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что магматические породы первичной земной коры могли содержать химически активные формы фосфора, включая фосфит и пирофосфат. Эти соединения способны участвовать в пребиотической химии и, согласно расчётам исследователей, могли непрерывно поступать в окружающую среду на протяжении миллионов лет.
Фосфор является одним из ключевых элементов жизни в том виде, в котором она известна сегодня. Он входит в состав ДНК и РНК, участвует в хранении и передаче энергии с помощью аденозинтрифосфата, или АТФ, а также необходим для формирования клеточных мембран. Без фосфора современная биология была бы невозможна.
Однако именно необходимость фосфора долгое время создавала одну из проблем в исследованиях происхождения жизни. На поверхности современной Земли наиболее распространённой формой этого элемента является фосфат. Он отличается высокой стабильностью, плохо растворяется в воде и относительно слабо вступает в химические реакции.
Такие свойства полезны для уже сформировавшихся живых организмов, но создают проблему для пребиотической химии — набора химических процессов, которые происходили до появления первых клеток.
Поэтому учёные десятилетиями пытались понять, откуда на ранней Земле мог взяться достаточно реактивный фосфор, способный участвовать в первых химических реакциях, которые в дальнейшем могли привести к возникновению биомолекул.
Новое международное исследование предлагает возможный ответ. По мнению авторов работы, источником реактивного фосфора мог быть не редкий и кратковременный процесс, а сама вулканическая кора молодой Земли. Активные формы фосфора могли присутствовать в породах уже во время их формирования.
Совсем другая Земля четыре миллиарда лет назад
Около четырёх миллиардов лет назад поверхность нашей планеты значительно отличалась от современной. Континенты были гораздо менее развиты, а значительную часть поверхности суши и океанического дна покрывали базальты, коматииты и другие основные и ультраосновные породы.
Эти породы формировались из очень горячих магм и представляли собой одну из главных зон взаимодействия между недрами планеты и древними океанами.
Исследователи изучили образцы пород из 15 местностей на разных континентах. В выборку вошли базальты, коматииты, перидотиты и кристаллы оливина.
С помощью геохимических методов учёные определили различные химические формы фосфора, присутствовавшие в этих породах.
Помимо обычного фосфата, исследователи обнаружили измеримые количества фосфита и пирофосфата. Эти соединения значительно более реакционноспособны и поэтому потенциально гораздо важнее для пребиотической химии.
В некоторых образцах содержание фосфита составляло неожиданно значительную долю от общего количества фосфора. Пирофосфат также присутствовал в концентрациях, которые согласуются с его непосредственным образованием в ходе магматических процессов.
Полученные данные указывают на то, что древнейшие вулканические породы Земли могли обладать значительно более сложным химическим составом, чем предполагалось ранее.
Почему фосфит оказался особенно важен
Главная особенность обнаруженного фосфита заключается в его химических свойствах. В отличие от фосфата он примерно в тысячу раз лучше растворяется в природной воде и легче взаимодействует с органическими соединениями.
Многочисленные эксперименты по пребиотической химии уже показывали, что восстановленные формы фосфора могут способствовать реакциям фосфорилирования — процессам, которые считаются важными для формирования первых биомолекул.
Другой интерес представляет пирофосфат. В его структуре присутствует высокоэнергетическая химическая связь, которая функционально напоминает связь, используемую современной жизнью в АТФ для хранения и передачи энергии.
Исследователи не утверждают, что древний пирофосфат напрямую связан с появлением современной АТФ. Однако его естественное присутствие в магматических породах открывает возможность существования доступных источников химически активной энергии на самых ранних этапах истории Земли.
Реактивный фосфор мог поступать постоянно
Предыдущие гипотезы происхождения реактивного фосфора часто связывали его появление с относительно редкими событиями. Среди возможных механизмов рассматривались падения метеоритов, содержащих металлические фосфиды, молнии, способные восстанавливать фосфор, и некоторые высокотемпературные метаморфические процессы.
Все эти механизмы физически возможны, однако они ограничены определёнными местами и периодами времени.
Авторы нового исследования предлагают другой сценарий.
Когда морская вода постепенно взаимодействовала с вулканическими породами океанического дна, содержащиеся в минералах фосфит и пирофосфат могли постепенно высвобождаться в окружающую среду.
Таким образом, обычное химическое выветривание и изменение океанической коры могло стать постоянным источником реактивного фосфора для древних океанов, гидротермальных систем и вулканических озёр.
Такой механизм принципиально отличается от сценария, в котором для появления необходимых соединений требовалось редкое случайное событие.
Сколько фосфита могло быть на древней Земле
Чтобы оценить геохимическое значение этого механизма, исследователи создали количественные модели круговорота фосфора на ранней Земле.
В расчётах учитывалось как образование фосфита в результате изменения вулканических пород, так и процессы, приводящие к его исчезновению. В частности, исследователи рассмотрели фотохимическое окисление под воздействием ультрафиолетового излучения.
Моделирование показало, что в глубоких океанах концентрация фосфита при наиболее благоприятных условиях могла достигать микромолярных значений.
В вулканических озёрах ситуация могла быть ещё более благоприятной. При ограниченном воздействии ультрафиолетового излучения, например из-за слоистой структуры воды или тонких поверхностных плёнок, богатых органическими веществами, концентрация могла достигать десятков микромолей.
По мнению авторов, такие значения необходимо учитывать в будущих экспериментах по изучению пребиотической химии.
Вулканические породы могли стать химическим двигателем зарождения жизни
Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на условия, существовавшие на Земле до появления жизни.
В традиционной картине земная кора рассматривается главным образом как геологическая среда, на фоне которой происходили процессы, приведшие к возникновению первых живых систем. Новая работа предполагает, что сама кора могла активно участвовать в пребиотической химии.
Вулканические породы могли накапливать, сохранять и постепенно высвобождать формы фосфора, значительно более реактивные, чем обычный фосфат. Это могло способствовать формированию химической среды, благоприятной для возникновения первых метаболических сетей.
При этом исследование не даёт окончательного ответа на вопрос о происхождении жизни. Остаётся выяснить, какие именно реакции участвовали в этих процессах, какие концентрации фосфора были необходимы, насколько широко были распространены подходящие условия и как они взаимодействовали с другими компонентами пребиотической химии.
Тем не менее работа предлагает важный новый механизм. Она показывает, что значительная часть реактивного фосфора могла образовываться непосредственно в результате обычных магматических процессов, а затем высвобождаться в окружающую среду при взаимодействии вулканических пород с водой.
Получается, что молодая Земля могла с самого начала обладать своеобразной геологической фабрикой реактивных соединений, которая на протяжении миллионов лет поддерживала химические процессы, потенциально способствовавшие возникновению жизни.
Это меняет представление о происхождении жизни. Оно могло быть связано не только с удачным сочетанием случайных обстоятельств, но и с фундаментальными химическими свойствами пород, из которых сформировалась наша планета.
Исследование в журнале Nature Communications.