Ученые вернули колыбель земной жизни из океана в пруд

Новые расчеты показывают, что энергии грозовых штормов недостаточно для того, чтобы «прокормить» жизнь в толще океана. Группа астрофизиков и планетологов привела доказательства того, что условия для зарождения жизни возникли все-таки в мелких прудах, а не в толще океана. К этому выводу они пришли, пересчитав баланс азотсодерджащих веществ, необходимых для зарождения и существования жизни.

Озеро Дон Жуан, Антарктида
© NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Азот — один из химических элементов, критически необходимых живым существам, как и углерод, кислород и фосфор. Азот входит в состав всех структурных единиц белков — аминокислот и, как видно из их названия, азотистых оснований, из которых состоят нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. Кроме того, азот играет роль акцептора электронов в микробном метаболизме, и без него этим живым организмам не обойтись.

Источник азота на Земле — атмосфера. К сожалению, в атмосфере он находится в виде N₂, практически инертного газа, который бесполезен почти для всех живых существ. Только азотфиксирующие бактерии умеют переводить азот из летучего вида в форму более земную — оксиды, доступные для растений, а из них уже его получают и животные. Но на заре зарождения жизни никаких бактерий не было и забирать азот из атмосферы было некому.

Считается, что самый эффективный путь фиксации азота без участия бактерий — молнии. Разряды электричества разбивают молекулу N₂ на радикалы, которые уже вступают в реакцию с кислородом с образованием нитрат- и нитрит-ионов, NO₃−  и NO₂− соответственно. Поэтому, судя по всему, именно благодаря молниям в древних водоемах Земли появились нитраты и нитриты, которые и стали залогом появления жизни около 3,7 миллиарда лет назад. Если молнии делают нитраты и нитриты, то разрушают эти соединения ультрафиолет и железо (II). Под их действием азот снова выводится из состава «заземленных» веществ

Ранее считалось, что жизнь появилась в мелких теплых прудах, где много света, кислорода и тепла для протекания химических реакций. Тем не менее недавнее исследование ученых из Стэнфордского университета показало, что для зарождения жизни, как ни странно, лучше подходили холодные и темные глубины океанов — там кислород легче усваивается, а на глубине колебания условий гораздо слабее, чем на мелководье.

Новое исследование ученых из Массачусетского технологического института возвращает мелким прудам право на титул колыбели жизни. Авторы статьи, вышедшей в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems, рассчитали не только количество азота, которое производят молнии, но и его убыль из-за ультрафиолета и железа.

Оказалось, что в океанах УФ-облучение и реакции с железом не позволили бы азотсодержащим соединениям накопиться сколько-нибудь значительно — более 1 микромоля на литр (это значение сейчас считается пороговым для возникновения жизни). Ультрафиолет и сейчас возвращает азот в атмосферу, но его высокий уровень (40 микромоль на литр) поддерживается благодаря воде, которая поднимается со дна, где живут бактерии, фиксирующие его. Миллиарды лет назад его запасы восполняли только молнии, так что его содержание не поднималось выше мизерного. К тому же в океанах растворено железо, которое тоже сводит фиксацию азота на нет.

По мнению авторов статьи, ситуация была лучше в мелких водоемах вроде озер или прудов. У них маленькая поверхность, в то же время большая площадь стока, то есть территории, с которой реки, ручьи и подземные источники несут воду в пруд. Фактор железа здесь может потерять свое значение, так как в прудах гораздо меньше содержание минералов и железа в том числе. В то же время из-за большего, чем у океанов, отношения площади стока к площади поверхности азотсодержащие вещества накапливаются в большем количестве, и УФ-облучение уже не так быстро снижает их концентрацию. По расчетам ученых, в таких прудах концентрация NO₃−  и NO₂− ионов должна быть не меньше 1 микромоля на литр, а то и больше.

В качестве примера ученые приводят озеро Дон Жуан в Антарктиде. Оно примерно 100 метров в поперечнике и 10 сантиметров глубиной. В озере никто не живет, и тем не менее содержание азотсодержащих веществ там весьма велико — аж 6 миллимолей на литр. Возможно, примерно в таких озерцах и зародилась жизнь.

Впрочем, по словам одного из авторов работы, говорить «Ага!» еще рано. Результаты исследования дают лишь еще один довод в пользу преимущества прудов над океанами в борьбе за первенство среди мест, где появилась жизнь.

Источник: chrdk.ru