Атмосфера древней Земли оказалась химическим инкубатором: она рождала молекулы будущей жизни

Древняя атмосфера Земли сама формировала молекулы для жизни — PNAS

Атмосфера древней Земли могла быть гораздо более активной химически, чем считалось раньше. Новые эксперименты показывают, что воздух миллиарды лет назад содержал условия, позволяющие формировать сложные молекулы на основе серы — в том числе аминокислоты. Эти соединения обычно связывают с живыми организмами, но учёным удалось воспроизвести их образование с помощью света и простых газов. Открытие расширяет наше понимание того, как могли появиться первые строительные блоки жизни на планете. Об этом сообщает Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Атмосфера ранней Земли как естественная лаборатория

Группа исследователей из Колорадского университета в Боулдере совместно с коллегами из других научных центров изучила химические реакции, происходившие в атмосфере до появления первых клеток. Их интересовал вопрос: могла ли ранняя газовая оболочка Земли служить источником органических молекул, необходимых будущей биосфере?

В опубликованной работе учёные предположили, что миллиарды лет назад в воздухе активно формировались соединения, в основе которых лежит сера. Это важные элементы биохимии, поскольку многие аминокислоты и коферменты напрямую включают серу в свою структуру. Предыдущие модели описывали, что такие молекулы появляются значительно позже, уже как побочный продукт жизнедеятельности.

"Наше исследование может помочь нам понять эволюцию жизни на самых ранних этапах", — сказал первый автор исследования Нейт Рид, научный сотрудник NASA.

Ещё несколько лет назад большинство учёных склонялось к тому, что органические серосодержащие соединения могли существовать только в узких специализированных средах — около вулканических жерл или гидротермальных источников, где присутствует богатая химическая активность. Новые расчёты показывают, что такие предположения были излишне узкими.

Почему сера важна для понимания происхождения жизни

Сера — элемент, который можно найти во всех живых организмах, от самых простых бактерий до человека. Она входит в состав ключевых аминокислот, включая цистеин, и играет роль в формировании белков, ферментов и метаболических путей. Несмотря на то, что в атмосфере ранней Земли сера присутствовала, долгое время считалось, что её органические формы появились только после возникновения жизни.

Ранее проведённые симуляции условий древней атмосферы лишь в редких случаях приводили к образованию заметного количества серосодержащих биомолекул. Если они всё же возникали, то только в крайне специфических условиях. Эта неопределённость усилилась после того, как телескоп "Джеймс Уэбб" обнаружил диметилсульфид — молекулу серы, которую на современной Земле производят морские водоросли — на экзопланете K2-18b. Многие восприняли это как возможный признак жизни.

Однако более ранняя работа Нейта Рида и Элли Браун показала, что диметилсульфид можно получить и без участия живых организмов. Это наблюдение стало отправной точкой для нового исследования.

Как учёные моделировали древнюю атмосферу

Чтобы понять, какие молекулы могли образовываться сами по себе, исследователи создали смесь простых газов: метана, углекислого газа, сероводорода и азота. Затем они воздействовали на неё светом, имитируя условия древней атмосферы. Такой подход позволил изучить химические процессы, которые могли происходить над поверхностью Земли миллиарды лет назад.

По словам Элли Браун, работать с серой крайне сложно. Её концентрация в воздухе минимальна, а сам элемент имеет свойство прилипать к оборудованию, что усложняет измерения.

"Вам понадобится оборудование, способное измерять невероятно малые количества продуктов реакции", — объяснила она.

Используя высокочувствительный масс-спектрометр, учёные зафиксировали образование целой группы серосодержащих биомолекул. Среди них были цистеин, таурин и коэнзим М — соединение, играющее роль в метаболических процессах живых организмов. Эти результаты продемонстрировали, что химия ранней атмосферы способна создавать фундаментальные молекулы без участия биологических систем.

На что могла быть способна атмосфера древней Земли

Следующим шагом учёные оценили, какие объёмы биомолекул теоретически могли образовываться в масштабах всей атмосферы. Расчёты показали, что раннее небо могло производить такое количество цистеина, которого хватило бы примерно на один октиллион клеток — единицу огромного масштаба.

Для сравнения: на Земле сейчас существует около одного нониллиона клеток, что делает полученный результат примечательно высоким. И хотя концентрации древнего цистеина были значительно ниже современных биологических уровней, они могли играть роль исходных компонентов для будущих форм жизни.

"Хотя цистеина было не так много, как сейчас, для среды, в которой не было жизни, это всё равно было много. Этого могло быть достаточно для зарождающейся глобальной экосистемы, где жизнь только начинает развиваться", — сказал Рид.

Исследователи допускают, что эти молекулы могли выпадать с осадками, попадая на поверхность и в водные бассейны. Так они становились частью химических процессов, происходивших на ранней Земле.

Новые представления о происхождении жизни

Результаты экспериментов заставляют пересмотреть устоявшиеся взгляды на то, где именно могли формироваться первые биомолекулы. Долгое время считалось, что зарождение жизни требовало уникальных геологических условий — например, горячих источников, богатых минералами и теплом.

"Вероятно, для зарождения жизни требовались особые условия, например, вблизи вулканов или гидротермальных источников со сложным химическим составом", — сказал Браун.

"Раньше мы думали, что жизнь должна была зародиться с нуля, но наши результаты показывают, что некоторые из этих более сложных молекул уже были широко распространены в неспециализированных условиях, что могло немного облегчить зарождение жизни", — добавил он.

Идея о том, что атмосфера сама производила компоненты будущей биологии, открывает новое направление в исследованиях происхождения жизни. Теперь можно предположить, что ключевые химические реакции происходили не только на поверхности, но и в самой воздушной оболочке планеты.

Сравнение подходов к моделированию происхождения жизни

В научной литературе существует несколько направлений в изучении того, как возникли первые молекулы жизни. Они отличаются как по методам, так и по условиям, которые реконструируют.

В моделях, ориентированных на подземные или гидротермальные источники, основное внимание уделяется богатым минералами средам. Там реакциям способствует тепло, давление и наличие специфических соединений. Атмосферные модели предлагают иной путь, в котором ключевыми факторами становятся солнечный свет, простые газы и фотохимия.

Оба подхода имеют свои преимущества. Атмосферные реакции: