Первая жизнь на Земле могла зародиться в лужах и прудах, а не в океанах

Новое исследование Массачусетского технологического института показало, что древние пруды (или большие лужи) могли обеспечить подходящую среду для разведения первых форм жизни на Земле — именно пруды, а не океаны, как полагали ранее. По словам ученых, неглубокие водоемы, глубиной порядка 10 сантиметров, могли содержать высокую концентрацию того, что, по мнению ученых, было ключевым ингредиентом для появления жизни на Земле: азот.

Как появилась жизнь на Земле?

В мелких водоем азот в форме азотистых оксидов имели бы хорошие шансы накапливаться в количестве, достаточном для реакции с другими соединениями и создания первых живых организмов. В гораздо более глубоких океанах азоту было бы труднее установить значительное присутствие, катализирующее жизнь.

«Наше общее послание заключается в том, что если вы думаете, что происхождение жизни требовало фиксированного азота, как думают многие, тогда жизни было бы крайне трудно зародиться в океане», говорит ведущий автор Сукрит Ранджан, постдок отделения наук о Земле, атмосфере и планетологии при Массачусетского технологическом институте. «Ей было бы намного проще появиться в пруду».

Ранджан и его коллеги опубликовали результаты своей работы в журнале journal Geochemistry, Geophysics, Geosystems.

Разорвать связь

Если примитивная жизнь действительно возникла в результате ключевой реакции с участием азота, предполагают ученые, это могло произойти двумя способами. Первая гипотеза включает глубокий океан, где азот в форме азотистых оксидов мог реагировать с углекислым газом, выделяющимся из гидротермальных источников, с образованием первых молекулярных строительных блоков жизни.

Вторая гипотеза о происхождении жизни, основанная на азоте, включает РНК — рибонуклеиновую кислоту, или молекулу, которая помогает кодировать нашу генетическую информацию. В своей примитивной форме РНК, вероятно, была свободно плавающей молекулой. Некоторые ученые считают, что при контакте с азотистыми оксидами РНК могла химически сформировать первую молекулярную цепочку жизни. Этот процесс образования РНК мог произойти либо в океанах, либо в мелких озерах и прудах.

Азотные оксиды, вероятно, откладывались в водоемах, включая океаны и пруды, как остатки распада азота в атмосфере Земли. Атмосферный азот состоит из двух молекул азота, связанных сильной тройной связью, которую может разрушить только чрезвычайно энергетически мощное событие — молния.

«Молния похожа на взрыв очень мощной бомбы», говорит Ранджан. «Она производит достаточно энергии, чтобы разорвать эту тройную связь в нашем атмосферном газообразном азоте и произвести азотистые оксиды, которые затем могут попасть в водоемы».

Ученые полагают, что в ранней атмосфере могло быть достаточно молний, чтобы произвести изобилие азотных оксидов, способствующих зарождению жизни в океане. Ранджан говорит, что ученые предполагали, что запас азотсодержащих оксидов был относительно стабильным после попадания соединений в океаны.

Однако в новом исследовании он выделяет две значительных «сливных воронки» — то есть, эффекты, которые могли уничтожить значительную часть азотистых оксидов, особенно в океанах. Он и его коллеги просмотрели научную литературу и обнаружили, что азотистые оксиды в воде могут разрушаться при взаимодействии с ультрафиолетовым светом солнца, а также с растворенным железом, выделяющимся из примитивных океанических пород.

Ранджан говорит, что как ультрафиолетовое излучение, так и растворенное железо могли разрушить значительную часть азотных оксидов в океане, отправляя соединения обратно в атмосферу в виде газообразного азота.

«Мы показали, что если вы будете учитывать эти две новые воронки, о которых никто не думал раньше, концентрация азотных оксидов в океане снизится в 1000 раз по сравнению с тем, что люди рассчитывали раньше», говорит Ранджан.

«Построить собор»

Если говорить про океан, ультрафиолетовый свет и растворенное железо сделали бы азотсодержащие оксиды гораздо менее доступными для синтеза живых организмов. Однако в мелких водоемах у жизни был бы лучший шанс удержаться «на плаву». Отчасти потому, что у прудов гораздо меньший объем, в котором будет растворяться содержимое. В результате, азотные оксиды накапливались бы до гораздо более высоких концентраций в прудах. Любые «воронки» — ультрафиолетовый свет и растворенное железо — оказали бы меньшее влияние на общую концентрацию соединения.

Ранджан говорит, что чем мельче пруд, тем больше вероятность того, что азотистые оксиды будут взаимодействовать с другими молекулами, в частности РНК, для катализа первых живых организмов.

«Такие пруды могли быть глубиной 10-100 сантиметров с площадью поверхности в десятки квадратных метров или больше», говорит Ранджан.

Может показаться, что это лужа, а не водоем — но в этом и смысл: в более глубокой среде азотистые оксиды были бы просто слишком разбавлены, что исключало бы любое вовлечение в химию происхождения жизни. По оценкам других групп, около 3,9 миллиарда лет назад, незадолго до появления первых признаков жизни на Земле, во всем мире, возможно, было около 500 квадратных километров мелких водоемов и прудов.

«Это очень мало по сравнению с тем количеством озер, которые мы имеем сегодня», говорит Ранджан. «Тем не менее, для начала жизни этого вполне достаточно».

Дискуссия о том, возникла жизнь в прудах или в океанах, продолжается, но Ранджан полагает, что новое исследование представляет убедительные доказательства в пользу первых.