Как развивалась жизнь на ранней Земле? Обнаружен новый источник азота

Между камнем и зеленым местом: Мишель Герингер изучает окаменелую жизнь на ранней Земле, чтобы узнать больше об эволюции (оксигенного) фотосинтеза — процесса, который производит кислород, которым мы дышим. Автор: Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau

Например, живым организмам азот необходим как центральный строительный блок для образования белка. Однако, хотя наша атмосфера содержит много азота, ни люди, ни подавляющее большинство растений не могут усваивать его напрямую из воздуха.

Так же, как и сегодня, ранняя жизнь на Земле зависела от фиксации азота микробами. Другими словами, от их преобразования атмосферного азота в азотные соединения, которые живые организмы могут поглощать и использовать.

Подробности процессов, происходивших на Земле миллиарды лет назад, пока еще далеки от выяснения: каковы были источники азота на ранней Земле? Как они использовались? И что это означало для дальнейшего развития жизни?

Исследователь RPTU д-р Мишель Герингер работает именно над этими вопросами. Она геомикробиолог и изучает взаимодействие микроорганизмов и геохимических процессов.

Фиксация азота стабильна в изменяющихся условиях окружающей среды

Под ее руководством недавно был проверен метод измерения, который показывает, что биологическая фиксация азота остается стабильной при изменении состава атмосферы. Чтобы понять подход исследователя, важно знать, что азот имеет два стабильных изотопа, два разных состояния, так сказать, ¹⁵ N и ¹⁴ N.

Герингер объясняет: «Азот представляет собой смесь легкого атома ¹⁴ N и более тяжелого атома ¹⁵ N. Когда современные микробы используют азот в своем метаболизме, они используют эти два изотопа в определенном соотношении друг к другу. Мы измеряем это, сжигая азотсодержащую биомассу и собирая азотный газ, образующийся при сгорании».

Герингер говорит: «До сих пор всегда предполагалось, что микробы имеют одинаковое соотношение ¹⁵ N/ ¹⁴ N, хотя они живут в совершенно разных условиях окружающей среды, без кислорода и с гораздо более высоким содержанием углекислого газа. Однако никто еще не проверил, так ли это на самом деле». Однако, поскольку условия окружающей среды влияют на скорость метаболизма, они, по-видимому, могут также влиять на соотношение ¹⁵ N/ ¹⁴ N.

Исследователи выращивали цианобактерии в условиях окружающей среды, схожих с условиями ранней Земли, то есть без кислорода и с очень высоким содержанием углекислого газа. «Мы обнаружили, что соотношение ¹⁵ N/ ¹⁴ N у цианобактерий остается стабильным. Таким образом, наши результаты подтверждают предположение, что это соотношение было одинаковым на протяжении всей истории Земли».

Азот также поглощается в виде растворенного аммония.

Древние породы, которым около 2,7 млрд лет, содержат мертвые останки различных микроорганизмов и могут предоставить исследователям информацию об их экосистемах и экологических нишах в прошлые времена. Герингер говорит: «Мы получили доступ к нетронутой, невыветренной породе, которую мы измельчили в мелкий порошок и проанализировали на изотопы азота».

С помощью измерений соотношения ¹⁵ N/ ¹⁴ N исследователи обнаружили, что, в отличие от современных строматолитов, органический материал древних строматолитов зависел не только от биологической фиксации газообразного азота цианобактериями.

Если быть точнее, результаты исследования указывают на дополнительное поглощение азота в виде растворенного аммония. «И наиболее вероятным источником этого является гидротермальная активность на морском дне», — говорит Герингер.

Исследователи также рассмотрели осадочные породы в вулканическом бассейне, возраст которого также составляет около 2,7 млрд лет. Аммоний из гидротермальных источников также оказался актуальным в этой системе.

Так возможна ли жизнь на Марсе?

«До сих пор предполагалось, что жизнь на ранней Земле, до того, как атмосфера обогатилась кислородом, была ограничена недостатком биологически доступного азота». Текущие исследования теперь доказывают дополнительную роль аммония из глубоководных гидротермальных источников.

«С помощью гидротермальных источников азот не ограничивал распространение жизни на ранней Земле. Напротив, жизнь могла процветать как в глубоководных, так и в мелководных морских средах». И, по словам Герингера, это способствовало развитию большого разнообразия микроорганизмов, которые мы видим и сегодня.

Что эти открытия могут означать для жизни на других планетах? «Гидротермальная активность была зафиксирована на Марсе и, вероятно, также имеет место на ледяных лунах во внешней части Солнечной системы». Вполне возможно, что процессы, подобные тем, что происходили на ранней Земле, происходили или все еще происходят там.

Исследование опубликовано в журналах Nature Communications, Applied and Environmental Microbiology и Geology.

Больше информации: Ashley N. Martin et al, Anomalous δ15N values in the Neoarchean associated with an abundant supply of hydrothermal ammonium, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57091-3 AN
Nicola Wannicke et al, Exploring the influence of atmospheric CO ₂ and O ₂ levels on the utility of nitrogen isotopes as proxy for biological N 2 fixation, Applied and Environmental Microbiology (2024). DOI: 10.1128/aem.00574-24
Martin et al, Mechanisms of nitrogen isotope fractionation at an ancient black smoker in the 2.7 Ga Abitibi greenstone belt, Canada, Geology (2024). DOI: 10.1130/G51689.1