Один из сложнейших вопросов, стоящих перед наукой — зарождение жизни. Чтобы дать на него исчерпывающий (насколько это возможно) ответ, надо знать о физических и химических характеристиках Земли в то время, когда на ней жизнь возникла.
Профессор Рочестерского университета (University of Rochester) Дастин Трейл (Dustin Trail) использовал экспериментальные данные и знания о химии цирконов для создания компьютерных моделей движения жидкостей в толще ранней Земли. Модели позволяют разобраться, как металлы (например, марганец), попали на поверхность Земли в период, когда на ней зарождалась жизнь — около четырёх миллиардов лет назад.
«Наше исследование показывает, что такие металлы, как марганец, могут служить важными связующими звеньями между «твёрдой» Землей и возникающими биологическими системами на её поверхности», — говорит Трейл.
Микроорганизмы появились на планете около четырёх миллиардов лет назад. Точно определить, когда и как возникли первые микробы — пока невозможно; но уже понятно, что возникновение жизни неразрывно связано с химическими и физическими характеристиками ранней Земли.
«Разумно полагать, что жизнь могла зародиться иначе — или вообще не зародиться, — если бы ранние химические характеристики нашей планеты были другими”, — замечает профессор Трейл.
Какой была Земля миллиарды лет назад, и какие её характеристики помогли жизни сформироваться?
Некоторые ответы — в статье Трейла и его коллег, опубликованной в журнале Science. Возможно, что полученные данные важны не только для понимания происхождения земной жизни, но и для поиска жизни инопланетной.
«Мы переживаем захватывающее время, когда человечество ищет жизнь на других планетах и лунах, а также в других планетных системах, — говорит Трейл. — Но мы до сих пор не знаем, как — и даже, на самом деле, когда — зародилась жизнь на нашей собственной планете.
Исследования, подобные нашему, помогают определить конкретные условия и химические пути, которые могли бы способствовать возникновению жизни; работа, которая, несомненно, сыграет заметную роль в поиске жизни за пределами нашей планеты».
Роль металлов в абиогенезе
Исследования жизни и её происхождения включают в себя различные дисциплины — геномику, изучение генов и их функций; протеомику, изучение белков. Существует и сравнительно новое научное направление — металломика, изучающая роль металлов в выполнении клеточных функций. По мере развития жизни потребность в определённых металлах менялась, и Трейл с коллегами хотели определить, какие металлы могли быть доступны, когда микробы появились.
«Когда выдвигаются гипотезы различных сценариев происхождения жизни, учёные обычно предполагают, что все металлы были доступны, так как не было исследований, которые обеспечивали бы геологически надёжные ограничения по концентрации металлов в жидкостях для самых ранних периодов истории Земли», — говорит Трейл.
Чтобы заполнить этот пробел, Трейл с коллегами приступили к изучению состава и характеристик жидкостей в ранней литосфере — внешнем слое Земли, который включает кору и верхнюю мантию. Эти литосферные жидкости — ключевые пути обмена растворёнными частями горных пород и минералов между внутренними и внешними гидротермальным бассейнами Земли, в которых и могла образоваться микробная жизнь.
Подсказки — в минералах возрастом в миллиарды лет
Древние камни и минералы — практически единственные прямые источники информации о самой ранней истории Земли.
Исследователи провели ряд экспериментов, где моделировались условия формирования горных пород и соотнесли полученные данные с информацией о химическом составе древних минералов — цирконов, собранных в Западной Австралии. Таким образом удалось понять, сколько в литосферных жидкостях было кислорода, хлора и какова была их температура. Затем эта информация использовалась для компьютерного моделирования свойств литосферных жидкостей, в частности, их способности к переносу различных металлов на поверхность Земли.
Моделирование дало неожиданные результаты. Многие исследователи считают медь важным элементом, сыгравшим роль в зарождении жизни. Но работа Трейла и его коллег показывает, что меди на поверхности было немного.
А марганца, похоже, было в избытке. Хотя этот элемент редко рассматривается в сценариях происхождения жизни, его роль для современной жизни велика — он нужен для формирования костей и для расщепления углеводов и холестерина.
Трейл надеется, что его работа поможет учёным, изучающим происхождение жизни.
«Эксперименты, разработанные с учётом этой информации, дадут лучшее понимание того, как возникла жизнь».