Воссоздан древний метаболический процесс: реакции железа и серы в моделируемых черных курильщиках проливают свет на раннюю жизнь

Частицы сульфида железа магнитные. Автор: Nature Ecology & Evolution (2025). DOI:10.1038/s41559-025-02676-w

Самые первые клетки получали энергию из геохимических реакций. Исследователи LMU теперь смогли воссоздать этот древний метаболический процесс в своей лаборатории.

Вероятнее всего, самый ранний предок всей жизни на Земле любил теплые условия, питался водородом и производил метан. Исследователи LMU пришли к такому выводу на основе ископаемых свидетельств и метаболических реконструкций с использованием генетических анализов. Этот относительно простой, изначальный метаболический путь ацетил-КоА сохранился во многих микроорганизмах по сей день.

Чтобы узнать больше о метаболизме, вероятно, самых первых живых организмов на Земле, группа исследователей из Университета Людвига-Максимилиана под руководством профессора Уильяма Орси с кафедры наук о Земле и окружающей среде создала лабораторные модели условий, существовавших на молодой Земле около 4–3,6 млрд лет назад.

Эти условия имели некоторое сходство с теми, которые сегодня преобладают в гидротермальных источниках на дне океана, известных как «черные курильщики», с одним ключевым отличием: древние океаны были полны растворенного железа.

Сильный рост без каких-либо питательных веществ

В ходе лабораторного эксперимента исследователи создали миниатюрные версии таких «черных курильщиков». Как это происходит в природе на морском дне, геохимические реакции железа и серы происходили при высоких температурах, образуя минералы сульфида железа, такие как макинавит (FeS) и грейгит (Fe ₃ S ₄), в процессе, в котором выделялся водород (H ₂).

В этих «химических садах» одноклеточная архея Methanocaldococcus jannaschii не только смогла разрастись, но и превзошла ожидания исследователей: «Помимо сверхэкспрессии некоторых генов метаболизма ацетил-КоА, археи фактически росли экспоненциально», — объясняет Ванесса Хельмбрехт, ведущий автор исследования, которое теперь опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.

«Вначале мы ожидали лишь незначительного роста, поскольку не добавляли в эксперимент никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или следов металлов». Таким образом, одноклеточный организм оказался весьма искусным в использовании газообразного водорода, вырабатываемого в результате абиотического осаждения сульфидов железа, в качестве источника энергии.

Выделенный из осадка гидротермальных источников на дне океана, гипертермофильный микроб Methanocaldococcus jannaschii служит модельным организмом для метаногенеза через метаболический путь ацетил-КоА. Это организм, который адаптирован к экстремальным условиям.

«Для выращивания нам был предоставлен доступ к самым современным объектам в Центре архей в Регенсбургском университете, где профессор Дина Громанн и доктор Роберт Райхельт любезно поддержали нас. Это было очень важно для подготовки экспериментов в химических садах», — говорит Орси.

Самый древний метаболический процесс в истории эволюции

В химических садах клетки всегда оставались в непосредственной близости от частиц макинавита. Это согласуется с ископаемыми свидетельствами, где некоторые геологические отложения таких минералов из ранней истории Земли содержат ископаемые следы первой микробной жизни.

Исследователи пришли к выводу из результатов исследования, что химические реакции во время осаждения минералов сульфида железа около 4 миллиардов лет назад генерировали достаточно энергии для выживания самых первых клеток и, таким образом, заложили основы для водородозависимого метаболизма первых микробов на молодой Земле. Соответственно, эта форма метаногенеза, основанная на водороде, полученном неорганическим путем посредством химических реакций, является старейшей известной формой генерации энергии в эволюционной истории.

Космос — следующий рубеж

Геобиологи LMU теперь задаются вопросом, не могут ли метаболические процессы, которые они наблюдали, происходить и за пределами нашей планеты, и, следовательно, могут ли существовать внеземные места обитания архей, например, на Энцеладе. NASA уже рассматривает этот спутник Сатурна как кандидат на возможную жизнь, поскольку ученые подозревают наличие гидротермальной активности между его каменистым ядром и жидким «содовым океаном» под его ледяной корой.

«В нашем следующем исследовании мы смоделируем условия Энцелада в лабораторных условиях и проверим, способны ли археи выживать и развиваться там», — говорит Хельмбрехт.

Больше информации: Vanessa Helmbrecht et al, Simulated early Earth geochemistry fuels a hydrogen-dependent primordial metabolism, Nature Ecology & Evolution (2025). DOI: 10.1038/s41559-025-02676-w

Источник: Ludwig Maximilian University of Munich