Новые модели проливают свет на происхождение жизни

Первые признаки жизни появились на Земле в виде микробов около четырех миллиардов лет назад. Хотя ученые до сих пор точно определяют, когда и как появились эти микробы, ясно, что появление жизни неразрывно связано с химическими и физическими характеристиками ранней Земли.

«Разумно предположить, что жизнь могла бы начаться по-другому или вообще не начаться, если бы ранние химические характеристики нашей планеты были другими», — говорит Дастин Трейл, адъюнкт-профессор наук о Земле и окружающей среде в Рочестерском университете.

Но какой была Земля миллиарды лет назад и какие характеристики могли способствовать формированию жизни? В статье, опубликованной в Наука, Трейл и Томас Макколлом, научный сотрудник Университета Колорадо в Боулдере, раскрывают ключевую информацию в поисках ответа. Исследование имеет важное значение не только для открытия происхождения жизни, но и для поиска жизни на других планетах.

«Сейчас мы переживаем захватывающее время, когда человечество ищет жизнь на других планетах и ​​лунах, а также в других планетарных системах», — говорит Трейл. «Но мы до сих пор не знаем, как — или даже когда на самом деле — жизнь зародилась на нашей собственной планете. Исследования, подобные нашим, помогают определить конкретные условия и химические пути, которые могли способствовать возникновению жизни, работа, которая, несомненно, сыграет важную роль в искать жизнь за пределами нашей планеты».

Роль металлов в возникновении жизни

Исследования жизни и ее происхождения обычно включают в себя множество дисциплин, включая геномику, изучение генов и их функций; протеомика, изучение белков; и новая область, называемая металломикой, которая исследует важную роль металлов в выполнении клеточных функций. По мере развития жизни потребность в определенных металлах менялась, но Трейл и МакКоллом хотели определить, какие металлы могли быть доступны, когда микробы впервые появились миллиарды лет назад.

«Когда выдвигаются гипотезы для различных сценариев происхождения жизни, ученые обычно предполагают, что все металлы были доступны, потому что не было исследований, которые давали бы геологически надежные ограничения на концентрации металлов в флюидах в самые ранние периоды истории Земли», — говорит Трейл.

Чтобы устранить этот недостаток, Трейл и МакКоллом изучили состав и характеристики флюидов в литосфере — внешнем слое Земли, включающем кору и верхнюю мантию — миллиарды лет назад. Эти литосферные флюиды являются ключевыми путями для транспортировки растворенных частей горных пород и минералов между недрами Земли и гидротермальными бассейнами на ее внешней стороне, где могла сформироваться микробная жизнь. Хотя исследователи не могут напрямую измерить количество металлов, существовавших миллиарды лет назад, определяя свойства жидкостей, они могут сделать вывод о том, какие металлы и их концентрации могли транспортироваться между внутренней и внешней частями Земли в то время, когда зародилась жизнь. появился на планете.

Подсказки в минералах возрастом миллиард лет

Горные породы и минералы возрастом миллиарды лет часто являются единственными прямыми источниками информации о древнейшей истории Земли. Это потому, что горные породы и минералы хранят информацию о составе Земли в момент их образования.

Исследователи провели эксперименты с высоким давлением и высокой температурой и применили эти результаты к цирконам ранней Земли, надежному типу минералов, собранных на участках в Западной Австралии, для определения давления кислорода, содержания хлора и температуры литосферных флюидов за миллиарды лет. назад. Затем они вводят эту информацию в компьютерные модели. Модели позволили им смоделировать свойства литосферных флюидов и, в свою очередь, смоделировать, какие металлы могли пройти через флюиды, чтобы достичь гидротермальных бассейнов на поверхности Земли.

Понимание того, как возникла жизнь

Исследователи были удивлены тем, что показало моделирование. Например, многие исследователи происхождения жизни считают медь вероятным химическим компонентом, который мог привести к возникновению жизни. Но Трейл и Макколлом не нашли доказательств того, что медь была бы в изобилии при ограничениях их анализа.

Одним из металлов, который они протестировали, который мог быть доступен в высоких концентрациях, был марганец. Хотя его редко учитывают в сценариях происхождения жизни, сегодня марганец помогает организму формировать кости и помогает ферментам расщеплять углеводы и холестерин.

«Наше исследование показывает, что такие металлы, как марганец, могут функционировать как важные связующие звенья между «твердой» Землей и возникающими биологическими системами на поверхности Земли», — говорит Трейл.

Трейл говорит, что исследование поможет ученым, изучающим происхождение жизни, вводить более конкретные данные в свои эксперименты и модели.

«Эксперименты, разработанные с учетом этой информации, приведут к лучшему пониманию того, как возникла жизнь».