Ученые раскрыли тайны зарождения жизни: химические сады морских глубин хранят секреты эволюции

Революционное научное исследование приоткрыло завесу над одной из величайших загадок природы — как зародилась жизнь на нашей планете. Команда немецких ученых воссоздала в лабораторных условиях уникальную среду, напоминающую первобытные океаны, и получила поразительные результаты.

Оказывается, первые живые организмы могли появиться в удивительных подводных “химических садах” — особых зонах океанского дна, насыщенных водородом и железными соединениями. Эти горячие участки морских глубин стали настоящими колыбелями жизни миллиарды лет назад.

Выяснить точные механизмы появления земной жизни — задача невероятной сложности. В современной биосфере все живые существа настолько взаимосвязаны, что практически ни один организм не способен существовать исключительно за счет минеральных ресурсов планеты. Такая взаимозависимость сформировалась еще в древние времена.

Однако самые ранние земные формы жизни были вынуждены полагаться только на то, что могла предложить неорганическая среда. Кислорода тогда практически не существовало, а процессы фотосинтеза еще не возникли. Некоторые современные глубоководные микроорганизмы до сих пор ведут аналогичный образ жизни, населяя области вокруг геотермальных источников на глубинах, куда никогда не проникает солнечный свет.

Эти удивительные обитатели океанских пучин получают электроны из водорода, поднимающегося из земных недр, используя древний ацетил-КоА механизм — систему более старую, чем гены, которые они применяют для ее осуществления. Это единственный известный способ фиксации углерода, который можно воспроизвести без участия биологических катализаторов.

В далекие эпохи земной истории океаны содержали значительно больше растворенного железа, чем сегодня. Исследовательская группа во главе с геохимиком Ванессой Хельмбрехт из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана поставила цель понять роль этого растворенного железа, воспроизведя условия древних морей в лабораторных условиях.

Воссоздание условий древней Земли

Глубоководные термальные источники Срединно-Атлантического хребта, расположенные на глубинах более 3000 метров, поддерживают уникальные экосистемы. Условия их существования поразительно схожи с теми, что господствовали на планете миллиарды лет назад.

Для проведения экспериментов исследователи выбрали одноклеточный микроорганизм из группы архей — Methanocaldococcus jannaschii. Этот удивительный организм был впервые обнаружен на гидротермальном источнике у мексиканского побережья, где он использует ацетил-КоА механизм, извлекая энергию из углекислого газа и водорода.

Небиологический водород представлял собой потенциально важный источник электронов, а углекислый газ служил основным акцептором электронов для примитивных клеток. Анаэробные микроорганизмы, использующие водород-зависимый восстановительный ацетил-КоА путь для поглощения CO₂, являются современными потомками, сохранившими особенности древнейших метаболических процессов.

В ходе экспериментов M. jannaschii помещали в миниатюрную модель глубоководных термальных источников, созданную в стеклянной емкости. Добавление сульфидного раствора в бескислородную воду приводило к образованию темного осадка, который за несколько минут формировал трубчатую структуру.

При высоких температурах железо и сера в этой микросистеме образовывали железосульфидные минералы — макинавит (FeS) и грейгит (Fe₃S₄). Взаимодействие сульфида железа с водой сопровождалось выделением водорода.

Неожиданные открытия

Несмотря на значительные отличия созданной среды от естественной среды обитания, M. jannaschii демонстрировал превосходный рост в этих экстремальных условиях.

“Изначально мы ожидали лишь минимального роста, поскольку не добавляли в систему никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или микроэлементов”, — отмечает Хельмбрехт. “Однако, помимо повышенной активности некоторых генов ацетил-КоА метаболизма, археи продемонстрировали настоящий экспоненциальный рост”.

Клетки M. jannaschii располагались непосредственно вблизи частиц макинавита, что напоминает некоторые древнейшие следы жизни, обнаруженные в ископаемых останках. Исследователи полагают, что подобные химические сады могли служить источником питания для первых земных микроорганизмов.

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

“Наша работа указывает на химические сады макинавита и грейгита как на потенциальные инкубаторы жизни — древние условия, которые теоретически могли поддерживать непрерывную эволюцию первых метаболизирующих клеток”, — заключают ученые.