Подводные гидротермальные источники могли дать начало первым предшественникам жизни

Гидротермальный источник «Шампанское» в Тихом океане. Автор: NOAA/Wikimedia Commons

Исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, воссоздало в лаборатории химические реакции, которые могли происходить на Земле около четырех миллиардов лет назад, производя первые молекулярные предшественники для возникновения жизни.

Эксперимент показал, что без присутствия ферментов естественные градиенты pH, редокс-потенциала (окислительно-восстановительного потенциала) и температуры, присутствующие в подводных гидротермальных источниках, могли способствовать восстановлению диоксида углерода (CO₂) до муравьиной кислоты (CH₂O₂) с последующим образованием уксусной кислоты (C₂H₄O₂). Результаты подтвердили гипотезу о ключевой роли подводных гидротермальных источников в этом процессе.

«Гипотеза заключается в том, что эти физико-химические контрасты, присутствующие вблизи термальных источников, генерируют естественное напряжение, как это происходит между внутренней и внешней сторонами митохондрий. Именно это напряжение поддерживает химические реакции», — пояснил первый автор исследования Тьяго Алтаир Феррейра.

Щелочные гидротермальные источники выпускают горячие жидкости (обычно около 70°C), которые являются основными (с pH от 9 до 12) и богаты молекулярным водородом (H₂). Эти жидкости смешиваются с более холодной водой (около 5°C) из первичного океана, которая была слабокислой (pH около 5,5). В этих средах формируются минеральные стенки, богатые микропорами и способные проводить электроны, из сульфидов железа и никеля.

«В Гадейском эоне был более холодный и кислый океан, а из гидротермальных источников исходила горячая щелочная жидкость. Одного этого было бы достаточно для создания напряжения, сравнимого с тем, что мы знаем в клеточных процессах сегодня. Наш эксперимент показал, что одного этого напряжения достаточно для запуска реакции фиксации углерода», — резюмирует Феррейра.

Для проверки гипотезы исследователи построили лабораторные реакторы, имитирующие взаимодействие между гидротермальными жидкостями и водой первичного океана. В экспериментах микромолярные концентрации муравьиной и уксусной кислот были обнаружены на «океанической» стороне реактора при градиентах pH и в присутствии минералов Fe-S (железо-сера) или Fe-Ni-S (железо-никель-сера).

«Мы сосредоточились на двух продуктах: муравьиной и уксусной кислотах. Первый шаг — преобразование CO₂ в муравьиную кислоту, а затем в уксусную — является наиболее сложной частью процесса с энергетической точки зрения. Мы решили её, используя только минералы», — объясняет Феррейра.

Исследование также показало, что крошечные электрические токи порядка наноампер (10⁻⁹ А) были достаточны для эффективного восстановления CO₂.

«Это говорит о том, что очень маленькие, но постоянные электрические токи на дне первичного моря были бы достаточны для поддержания протометаболизма», — комментирует Феррейра.

Результаты исследования подкрепляют роль щелочных гидротермальных источников на примитивной Земле, показывая, что две стадии протометаболизма могут возникать из естественных градиентов и минеральных поверхностей без необходимости сложной биологической машинерии.

«Исходное условие для жизни — не «суп» из органических молекул, а порядок в нужном месте и в нужное время, поддерживаемый обменами энергии и энтропии», — подводит итог Феррейра.

Хотя исследование было сосредоточено на фундаментальной науке с возможными астробиологическими применениями, этот подход также вдохновляет на технологические применения в электрокатализе и производстве водорода.