Життя на Землі, ймовірно, почалося в теплих підводних «хімічних садах», багатих на водень і залізо. Дослідники з Німеччини змоделювали це середовище в лабораторії та виявили, що архаїчні форми життя, які й сьогодні мешкають у глибоководних умовах, можуть процвітати за таких первісних умов.
Уявити, як саме зародилося життя на нашій планеті, — складно. У сучасних екосистемах життя настільки взаємопов’язане, що дуже мало організмів живуть безпосередньо за рахунок сирих матеріалів Землі. І так триває вже дуже давно.
Але перші організми на безжиттєвій планеті мусили задовольнятися лише тим, що пропонувало мінеральне середовище. Кисню практично не було, як і фотосинтезу. Як показано у відео нижче, деякі організми глибоководних середовищ досі живуть таким чином, виживаючи завдяки гідротермальним джерелам у глибинах, куди не проникає сонячне світло.
Ці мікроорганізми отримують електрони з водню, що вивергається з ядра Землі, і використовують шлях ацетил-КоА — метод фіксації вуглецю, який не потребує ферментів і є старшим за гени, що його регулюють.
Але коли ця «рецептура» вперше з’явилася в ранні роки Землі, морська вода містила набагато більше розчиненого заліза, ніж сьогодні. Команда на чолі з геохімікинею Ванессою Гельмбрехт із Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана вирішила перевірити, наскільки сильно це розчинене залізо впливало на процеси, змоделювавши первісні умови в лабораторії.
«Давні поклади гідротермальних сульфідів заліза, що датуються архейською ерою (4–3,6 мільярда років тому), мають скам’янілості, які вважаються одними з найдавніших свідчень життя на Землі», — пише команда у своїй статті. «Однак зв’язок між абіотичним утворенням водню (H₂) у сульфідних хімічних садах і зародженням життя досі залишається малодослідженим».
Вчені відтворили хімічні «сади» глибокого моря, які могли дати початок життю
Гідротермальні джерела, такі як цей на серединно-океанічному хребті на глибині понад 3 000 метрів, підтримують екосистеми, дуже схожі на ті, що існували мільярди років тому. (MARUM – Центр морських наук навколишнього середовища, Університет Бремена)
У якості тестового мікроорганізму команда обрала одноклітинну архею Methanocaldococcus jannaschii. Її було виявлено біля гідротермального джерела біля західного узбережжя Мексики, де вона використовує ацетил-КоА шлях і живиться вуглекислим газом і воднем.
«Абіотичний H₂ міг бути важливим донором електронів, а CO₂ — ключовим акцептором електронів для перших клітин», — пояснює команда. «Анаеробні організми, що використовують цей шлях, є сучасними нащадками перших метаболізмів».
Мініатюрне підводне середовище у скляній колбі
М. jannaschii помістили у мініатюрну версію глибоководного гідротермального джерела, створену в скляній ампулі. Увівши сульфідну рідину у воду без розчиненого кисню, дослідники створили чорний осад, що за 5–10 хвилин сформував димохідну структуру. За високих температур залізо та сірка утворили сульфідні мінерали — макинавіт (FeS) і грейгіт (Fe₃S₄). Під час гідратації залізного сульфіду виділявся H₂.
Хоча умови були зовсім не такі, як у сучасному середовищі існування археї, вона добре себе почувала у створеному «хімічному саду».
«Спочатку ми очікували лише незначного росту, адже не додавали додаткових поживних речовин, вітамінів чи мікроелементів», — каже Гельмбрехт. «Однак археї не лише значно активізували гени ацетил-КоА метаболізму, а й почали експоненціально зростати».
Клітини археї збиралися біля частинок макинавіту —, так само як це видно в давніх скам’янілостях. На думку вчених, саме такі хімічні сади стали «розсадниками» перших мікроорганізмів Землі.
«Рецепт життя» народився в екстремальних умовах
Ці результати свідчать, що шлях ацетил-КоА виник саме в умовах високих температур і обмежених ресурсів, у яких могли спалахнути перші іскри життя.
«Наше дослідження вказує на хімічні сади з макинавітом і грейгітом як на потенційні “інкубатори” життя — первісні середовища, що могли підтримувати постійний розвиток перших клітин з метаболізмом», — підсумовують автори. Дослідження опубліковане в журналі Nature Ecology & Evolution.