Художники и ученые уже давно размышляют над появлением Земли миллиарды лет назад, что привело к ярким художественным представлениям и строгим научным исследованиям ее раннего состояния. Новое исследование подчеркивает неуловимую роль серы в пребиотической химии Земли, предполагая, что понимание ее поведения в водах и атмосфере ранней Земли имеет решающее значение для разгадки происхождения жизни, несмотря на проблемы, создаваемые динамическими геологическими процессами Земли и сложными реакциями соединений серы.
Исследование, проведенное Университетом Аризоны, выявило серу, широко известный химический элемент, который интригующе бросил вызов научным попыткам понять его роль в происхождении жизни.
Многие художники пытались изобразить, как могла выглядеть Земля миллиарды лет назад, до появления жизни. Во многих сценах заснеженные горы заменяются извергающими лаву вулканами, а голубое небо — молниями, поражающими то, что находится внизу, с туманного неба.
Но как на самом деле выглядела ранняя Земля? Этот вопрос был предметом интенсивных научных исследований на протяжении десятилетий.
Публикация под руководством Сукрита Ранджана, доцента Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны, проливает свет на серу, химический элемент, который, хотя и всем известен, оказался на удивление устойчивым к научным усилиям по исследованию его роли в происхождении жизнь.
«Наша картина ранней Земли довольно размыта», — сказал Ранджан, который исследует концентрацию серы в водах и атмосфере ранней Земли. Те же процессы, которые делают нашу планету пригодной для жизни – жидкая вода и тектоника плит – постоянно разрушают породы, хранящие геологическую летопись Земли, утверждает он. «Это здорово для нас, потому что оно перерабатывает питательные вещества, которые в противном случае были бы заперты в земной коре, но это ужасно для геологов в том смысле, что оно удаляет посланников».
Опубликовано в журнале Достижения АГУ В декабре статья Ранджана была выбрана редактором в качестве основного момента в знак признания «экспериментов, которые было чрезвычайно сложно провести, но которые создают ограничения для текущих лабораторных экспериментов по химии пребиотиков».
В основе усилий, направленных на то, чтобы приоткрыть завесу над возникновением жизни на Земле, лежала концепция, известная как «РНК мире», — сказал Ранджан, имея в виду рибонуклеиновую кислотакласс молекул, которые присутствуют в каждой живой клетке и имеют решающее значение для жизни, какой мы ее знаем.
Гипотеза мира РНК основана на интересной особенности современной биологии, а именно на четырех основных категориях биомолекул: аминокислоты, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. РНК — единственная, которая может выполнять роль фермента, а также хранить и воспроизводить генетическую информацию, самостоятельно создавая копии самой себя. Есть только одна проблема: это действительно сложно сделать.
«В течение примерно 50 лет люди пытались выяснить, как создавать РНК без ферментов, как это делает биология», — сказал Ранджан, пояснив, что только в последние пять лет исследователи выяснили неферментативные пути получения РНК. сделать РНК.
«Если мы сможем получить РНК, то на далеком горизонте мы увидим путь, позволяющий реализовать все остальное», — сказал он. «И возникает вопрос: была ли эта молекула действительно доступна ранее в каких-либо количествах? И это на самом деле главный открытый вопрос».
Недавно ученые завершили полувековой поиск по созданию молекул РНК без биологических ферментов, что стало огромным шагом вперед к демонстрации мира РНК. Однако все эти химические пути основаны на важной молекуле серы, называемой сульфитом. Изучая образцы некоторых из древнейших пород Земли, ученые выяснили, что на ранней, добиотической Земле было много серы. Но сколько его было в атмосфере? Сколько из них оказалось в воде? И какая его часть превратилась в сульфит, производящий РНК? Это вопросы, на которые Ранджан и его команда намеревались ответить.
«Что с ним происходит, когда он оказывается в воде? Оно сохраняется надолго или быстро проходит?» он сказал. «Для современной Земли мы знаем ответ: сульфит любит окисляться или вступать в реакцию с кислородом, поэтому он исчезнет очень быстро».
Напротив, как показывают геологические данные, в ранней атмосфере Земли было очень мало кислорода, что могло позволить сульфиту накапливаться и сохраняться гораздо дольше. Однако даже в отсутствие кислорода сульфит очень реакционноспособен, и многие реакции могли удалить его из ранней земной среды.
Одна из таких реакций известна как диспропорционирование — процесс, при котором несколько сульфитов реагируют друг с другом, превращая их в сульфат и элементарную серу, которые бесполезны для химии происхождения жизни. Но насколько быстрый этот процесс? Позволило ли бы этому накопиться достаточное количество сульфитов, чтобы дать толчок жизни?
«Никто на самом деле не изучал этот вопрос глубоко, за исключением других контекстов, в основном управления сточными водами», — сказал Ранджан.
Затем его команда приступила к исследованию этой проблемы в различных условиях, и на это ушло пять лет от разработки экспериментов до публикации результатов.
«Из всех атомов, которыми заполнена пребиотическая верфь, включая углерод, водород, азот, кислород, фосфор и серу, сера, пожалуй, самая трудная», — писал Сонни Харман из НАСАИсследовательский центр Эймса, в статья с точкой зрения сопровождающее публикацию. Из-за своей склонности вступать в химические реакции «соединения серы имеют тенденцию быть более нестабильными, создавая опасность для лабораторного персонала и оборудования, засоряя приборы и мешая экспериментам».
Кошмар лаборанта
В своей установке Ранджан и его соавторы растворяли сульфит в воде с различными уровнями кислотности или щелочности, помещали его в контейнер в бескислородной атмосфере и давали ему «стареть», как выразился Ранджан. Каждую неделю команда измеряла концентрацию различных сульфитов с помощью ультрафиолетового света. В конце эксперимента они подвергли их серии анализов, направленных на ответ на относительно простой вопрос, по его словам: «Какая часть этой исходной молекулы осталась и во что она превратилась?»
Оказалось, что сульфиты диспропорционируются гораздо медленнее, чем считалось общепринятым мнением. Более ранние исследования, например, выдвинули идею о серной дымке, охватившей раннюю Землю, но команда Ранджана обнаружила, что сульфиты разрушаются под воздействием ультрафиолета быстрее, чем ожидалось. В отсутствие озонового слоя на заре существования Земли этот процесс, известный как фотолиз, быстро очистил бы сернистые соединения из атмосферы и воды, хотя и не так эффективно, как изобилие кислорода в современном мире.
Хотя вполне вероятно, что медленное диспропорционирование могло привести к накоплению сульфитов, фотолиз сделал бы это очень маловероятным, за исключением определенных сред, таких как мелководные бассейны, затененные от ультрафиолетового излучения, особенно если они питаются поверхностными стоками для создания минеральных щитов. Примеры включают подземные бассейны или закрытые карбонатные озера, бессточные впадины, где осадки накапливаются, но вода может уйти только путем испарения.
«Подумайте о водоемах, таких как Большое Соленое озеро в Юте или озеро Моно в Калифорнии», — сказал Ранджан, добавив, что гидротермальные среды становятся горячими кандидатами на первое появление жизни. Здесь грунтовые воды, несущие растворенные минералы, вступают в контакт с теплом вулканической активности, создавая уникальную микросреду, которая предлагает «безопасное пространство» для химических процессов, которые не могли бы произойти в другом месте.
По словам Ранджана, такие места можно найти на срединно-океанических хребтах в глубоком море, а также на суше.
«Современным примером этого является Йеллоустонский национальный парк, где мы находим водоемы, в которых накапливается много сульфита, несмотря на наличие кислорода», — сказал он, — «и это может произойти только потому, что сульфит постоянно пополняется за счет вулканического выделения газа».
Исследование дает возможность экспериментально проверить гипотезу о наличии сульфитов в эволюции первых молекул жизни, отмечают авторы. Ранджан сказал, что его особенно волнует одна область исследований – филогенетическая микробиология, которая использует анализ генома для реконструкции моделей микроорганизмов, использующих серу, которые, как полагают, представляют древнейшие типы на Земле.
Есть данные, что эти бактерии получают энергию за счет восстановления высокоокисленных форм серы до менее окисленных. Интересно, отметил Ранджан, что на первом этапе они зависят от довольно сложного ферментного механизма, восстанавливающего сульфат, распространенную «современную» форму серы, до сульфита, что позволяет предположить, что эти ферменты являются продуктом длительного эволюционного процесса. Напротив, только один фермент участвует в превращении сульфита – предполагаемого ключевого ингредиента «пребиотической среды луж» – в сульфид.
«Если это правда, то это означает, что сульфит присутствовал в естественной среде, по крайней мере, в некоторых водоемах, подобно тому, о чем мы здесь говорим», — сказал он. «Геологи только сейчас обращаются к этому. Можем ли мы использовать древние камни, чтобы проверить, богаты ли они сульфитами? Мы пока не знаем ответа. Это по-прежнему передовая наука».
Ссылка: «Геохимические и фотохимические ограничения на S[IV] Концентрации в природных водах на пребиотической Земле», Сукрит Ранджан, Халед Абделазим, Габриэлла Г. Лозано, Сангита Мандал, Синди Ю. Чжоу, Коринна Л. Куфнер, Зои Р. Тодд, Нита Сахай и Димитар Д. Саселов, 15 декабря 2023 г., Достижения АГУ.
DOI: 10.1029/2023AV000926
Исследование финансировалось Фондом Саймонса, грантом НАСА «Хаббл», Научным институтом космического телескопа и Отделом наук о Земле Национального научного фонда США.