Новое исследование раскрывает роль газообразного водорода как источника энергии на заре жизни, подчеркивая его потенциал в качестве экологически чистого топлива. Изучая естественные процессы в гидротермальных источниках и ранние клеточные механизмы использования водорода, исследователи получили представление о происхождении жизни и древнем использовании водорода в качестве источника энергии. Это исследование не только освещает историческое значение водорода, но и его будущую роль в устойчивой энергетике.
Водород, получивший название «энергия будущего», обеспечивает энергию уже 4 миллиарда лет назад.
Недавнее исследование показывает, как водород, который часто рекламируют как источник энергии завтрашнего дня, обеспечивал энергию в прошлом, при зарождении жизни 4 миллиарда лет назад. Водород является чистым топливом. Он горит вместе с кислородом воздуха, обеспечивая энергию без выбросов CO.2.
Водород является ключом к устойчивой энергетике будущего. Хотя люди только сейчас начинают осознавать преимущества газообразного водорода (H2 в химической стенографии), микробы знали, что H2 является хорошим топливом с тех пор, как на Земле существует жизнь. Водород — древняя энергия.
Самые первые клетки на Земле жили из H2 производится в гидротермальных источниках по реакции H2 с CO2 создавать молекулы жизни. Микробы, которые размножаются в результате реакции H2 и CO2 могут жить в полной темноте, населяя жуткие первозданные места обитания, такие как глубоководные гидротермальные источники или горячие скальные образования глубоко в земной коре, среду, где, по мнению многих ученых, возникла сама жизнь.
Открытие роли водорода в раннем сборе клеточной энергии
Удивительные новые сведения о том, как первые клетки на Земле научились использовать H2 в качестве источника энергии теперь сообщается в ПНАС. Новое исследование проводится командой Уильяма Ф. Мартина из Дюссельдорфского университета и Мартины Прейнер из Института наземной микробиологии Макса Планка (MPI) в Марбурге при поддержке сотрудников из Германии и Азии.
Чтобы собрать энергию, клеткам сначала приходится выталкивать электроны из H2 энергетически в гору. «Это все равно, что попросить реку течь вверх, а не вниз, поэтому клеткам нужны инженерные решения», — объясняет один из трех первых авторов исследования Макс Брабендер.
Изображение формации Сулис в гидротермальном поле Лост-Сити, щелочном гидротермальном источнике, производящем водород. Фото: предоставлено Сьюзан Лэнг, Университет Южной Каролины /NSF/ROV Jason, 2018 © Океанографический институт Вудс-Хоул
Как клетки решают эту проблему, было обнаружено всего 15 лет назад Вольфгангом Букелем вместе со своим коллегой Рольфом Тауэром в Марбурге. Они обнаружили, что клетки посылают два электрона водорода по разным путям. Один электрон движется далеко вниз, настолько далеко вниз, что приводит в движение что-то вроде шкива (или сифона), который может энергетически тянуть другой электрон вверх. Этот процесс называется бифуркацией электрона.
Механизмы бифуркации электронов и загадка ранней эволюции
В клетках для этого требуется несколько ферментов, которые отправляют электроны вверх к древнему и важному биологическому переносчику электронов, называемому ферредоксином. Новое исследование показывает, что при pH 8,5, типичном для природных щелочных источников, «никакие белки не требуются», объясняет Бакель, соавтор исследования, «связь H–H H2 расщепляется на поверхности железа, генерируя протоны, которые поглощаются щелочной водой, и электроны, которые затем легко передаются непосредственно ферредоксину».
Как энергетически восходящая реакция могла работать на ранней стадии эволюции, до появления ферментов и клеток, оставалось очень сложной загадкой. «Несколько различных теорий предполагали, что окружающая среда могла энергетически подтолкнуть электроны вверх к ферредоксину до того, как возникла бифуркация электронов, — говорит Мартин, — мы определили процесс, который не может быть проще и который работает в естественных условиях гидротермальных источников». .
С момента открытия бифуркации электронов ученые обнаружили, что этот процесс является одновременно древним и абсолютно необходимым для микробов, живущих за счет H.2. Раздражающая проблема для эволюционно мыслящих химиков, таких как Мартина Прейнер, чья команда в Марбурге фокусируется на влиянии окружающей среды на реакции, которые микробы используют сегодня и, возможно, использовали при зарождении жизни, заключается в следующем: как появился H2 запряженный для CO2 исправление путей до появления сложных белков?
«Металлы дают ответы», — говорит она, — «на заре жизни металлы в древних условиях окружающей среды могли посылать электроны из H2 наверху, и мы можем увидеть остатки той первозданной химии, сохранившейся в биологии современных клеток». Но одних металлов недостаточно. «ЧАС2 также должно быть произведено окружающей средой», — добавляет соавтор Дельфина Перейра из лаборатории Прейнера. Такая среда встречается в гидротермальных источниках, где вода взаимодействует с железосодержащими породами, образуя H.2, и где микробы до сих пор живут, используя водород в качестве источника энергии.
Удивительная роль водорода в образовании металлического железа
Гидротермальные источники, как современные, так и древние, генерируют H.2 в таких больших количествах, что газ может превратить железосодержащие минералы в блестящее металлическое железо.
«То, что водород может производить металлическое железо из минералов, не является секретом», — говорит Харун Тюйсюз, эксперт по высокотехнологичным материалам Института Макса Планка в Мюльхайме и соавтор исследования. «Многие процессы в химической промышленности используют H2 получать металлы из минералов в ходе реакции». Удивительно то, что природа тоже делает то же самое, особенно в гидротермальных источниках, и что это естественно отложившееся железо могло сыграть решающую роль в зарождении жизни.
Железо было единственным металлом, выявленным в новом исследовании, который мог отправлять электроны в H.2 в гору к ферредоксину. Но реакция работает только в щелочных условиях, например, в гидротермальных источниках определенного типа.
Наталья Мрнявац из Дюссельдорфской группы и соавтор исследования отмечает: «Это хорошо согласуется с теорией, согласно которой жизнь возникла в такой среде. Самое интересное то, что такие простые химические реакции могут закрыть важный пробел в понимании сложного процесса происхождения, и что сегодня мы можем видеть, как эти реакции работают в условиях древних гидротермальных источников в лаборатории».
Ссылка: «Восстановление ферредоксина водородом с функциями железа как эволюционный предшественник бифуркации электронов на основе флавина» Макс Брабендер, Дельфина П. Энрикес Перейра, Наталия Мрнявак, Манон Лаура Шликкер, Зен-Ичиро Кимура, Джерус Сучаритакул, Карл Кляйнерманнс, Харун Тюйсюз, Вольфганг Бакель, Мартина Прейнер и Уильям Ф. Мартин, 21 марта 2024 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2318969121