Химические сады — колыбель жизни: как ученые воссоздали условия зарождения первых организмов

Группа немецких исследователей совершила прорыв в понимании того, как могла зародиться жизнь на Земле. Воссоздав в лаборатории условия, существовавшие на планете миллиарды лет назад, они получили удивительные результаты, которые могут кардинально изменить наши представления о происхождении жизни.

Первые живые существа, вероятно, появились в необычных подводных образованиях — “химических садах”, богатых водородом и соединениями железа. Эти горячие участки древнего океанского дна создавали уникальные условия для возникновения и развития примитивных форм жизни.

Определить точные пути возникновения жизни на Земле крайне трудно. В современных экосистемах все организмы настолько тесно взаимосвязаны, что практически ни один из них не может напрямую использовать только неорганические ресурсы планеты. Эта сложная система взаимозависимости сложилась миллиарды лет назад.

Однако самые древние земные организмы должны были выживать исключительно благодаря тому, что предлагала минеральная среда. Кислорода тогда было мало или не было совсем, фотосинтез еще не развился. Некоторые современные глубоководные микробы до сих пор ведут схожий образ жизни, обитая рядом с термальными источниками на глубинах, недоступных для солнечного света.

Эти современные обитатели океанских глубин извлекают электроны из водорода, поступающего из земных недр, используя древний ацетил-КоА механизм — процесс более древний, чем гены, которые они применяют для его реализации. Это единственный известный путь углеродной фиксации, который можно воспроизвести без биологических катализаторов.

В древние эпохи океанская вода содержала значительно больше растворенного железа по сравнению с современностью. Исследовательская команда геохимика Ванессы Хельмбрехт из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана поставила задачу выяснить роль этого растворенного железа, воссоздав условия первобытных океанов в лаборатории.

Моделирование древней среды

Глубоководные гидротермальные источники Срединно-Атлантического хребта на глубинах свыше 3000 метров поддерживают экосистемы, существующие в условиях, удивительно похожих на те, что были на планете миллиарды лет назад.

Для экспериментов исследователи использовали одноклеточный организм из группы архей — Methanocaldococcus jannaschii. Этот уникальный микроорганизм был впервые найден на гидротермальном источнике возле берегов Мексики, где он использует ацетил-КоА механизм, получая энергию из диоксида углерода и водорода.

Небиологический водород был потенциально важным донором электронов, а диоксид углерода служил основным акцептором электронов для первых клеток. Анаэробные микроорганизмы, использующие водород-зависимый восстановительный ацетил-КоА путь для усвоения углекислого газа, представляют современных потомков, сохранивших характеристики древнейших метаболических систем.

В экспериментах M. jannaschii помещали в миниатюрную копию глубоководных гидротермальных источников, созданную в стеклянном сосуде. Добавление сульфидного раствора в безкислородную воду вызывало образование темного осадка, который за 5-10 минут формировал трубчатую структуру.

При повышенных температурах железо и сера в этой микросистеме образовывали железосульфидные минералы — макинавит (FeS) и грейгит (Fe₃S₄). При контакте сульфида железа с водой происходило выделение водорода.

Удивительные результаты

Несмотря на то что созданная среда существенно отличалась от природной среды обитания, M. jannaschii отлично размножался в этих необычных условиях.

“Изначально мы ожидали только минимального роста, так как не добавляли в нашу систему никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или микроэлементов”, — отмечает Хельмбрехт. “Однако, кроме усиленной активности некоторых генов ацетил-КоА метаболизма, археи показали настоящий экспоненциальный рост”.

Клетки M. jannaschii располагались прямо возле частиц макинавита, что напоминает некоторые древнейшие свидетельства жизни, найденные в окаменелостях. Ученые считают, что такие химические сады могли служить источником энергии для первых земных микроорганизмов.

Данное исследование демонстрирует, что ацетил-КоА метаболический путь возник в экстремальных и энергетически ограниченных условиях, где, возможно, и зародилась земная жизнь.

“Наша работа указывает на химические сады макинавита и грейгита как на возможные колыбели жизни — первобытные условия, которые теоретически могли поддерживать постоянную эволюцию первых метаболизирующих клеток”, — заключают исследователи.