Происхождение жизни на Земле во многом остается загадкой для науки. Один из ключевых вопросов связан с тем, как на молодой планете появились химические элементы, необходимые для возникновения первых организмов. Исследование, выполненное при поддержке NASA, предлагает по-новому взглянуть на происхождение фосфора и азота, а также на роль Юпитера в ранней истории Солнечной системы. Подробнее о том, как это может изменить вопрос о возникновении жизни, и о том, как это связано с современными вулканами Камчатки, — в материале «Известий».
Что на самом деле обнаружили ученые
Когда ученые пытаются понять, как на Земле появилась жизнь, они неизбежно сталкиваются с вопросом о происхождении ее химических «строительных блоков». Откуда на молодой планете появились элементы, без которых невозможны ни ДНК, ни РНК, ни клетки? Одними из важнейших среди них считаются фосфор и азот.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances при поддержке NASA, предлагает неожиданный взгляд на историю этих элементов. Его авторы пришли к выводу, что значительная часть фосфора и азота могла попасть на Землю не из внешних областей Солнечной системы, как предполагалось ранее, а из внутренних. Более того, важную роль в этом процессе, вероятно, сыграл Юпитер.
Сегодня газовый гигант находится почти в 780 млн км от Солнца и кажется далеким от земных проблем. Однако 4,5 млрд лет назад Солнечная система представляла собой вращающийся диск газа, пыли и формирующихся планет. В этот период Юпитер не только набирал массу, но и своим мощным гравитационным воздействием влиял на движение огромного количества веществ вокруг себя.
Исследователи проанализировали состав древних метеоритов — своеобразных «капсул времени», сохранивших информацию о ранних этапах формирования планет. Особое внимание они уделили соотношению фосфора и азота.
Сопоставив эти данные с составом земной мантии, авторы пришли к выводу, что для объяснения наблюдаемых концентраций не обязательно привлекать большое количество вещества из внешних областей Солнечной системы. Существенный вклад могли внести тела, сформировавшиеся ближе к Солнцу.
Из чего состоит Земля
На протяжении многих лет в исследованиях происхождения жизни большое внимание уделялось идее космической доставки жизненно важных веществ. Считалось, что значительную часть воды, органических соединений и некоторых биогенных элементов молодая Земля могла получить благодаря телам, прилетевшим из внешних областей Солнечной системы.
Новая работа не отменяет эту картину полностью, однако делает ее более сложной. Если выводы авторов верны, то, по крайней мере, часть фосфора и азота, необходимых для будущей биосферы, могла иметь местное происхождение — поступить из тел, сформировавшихся ближе к Солнцу и к орбите Земли. Это означает, что ключевые химические компоненты жизни могли находиться значительно ближе к молодой планете, чем предполагалось ранее.
Подобные результаты важны не только для понимания истории Земли, но и для оценки обитаемости других планетных систем. В таком случае элементы могут эффективно формироваться и накапливаться вблизи молодых каменистых космических тел, что расширяет представления о том, где во Вселенной стоит искать потенциально пригодные для жизни миры.
Впрочем, по словам д. ф-м. н., ведущего научного сотрудника ГЕОХИ РАН Сергея Ипатова, такой вывод не противоречит существующим представлениям об образовании Земли.
— Вероятность столкновения с Землей тел, образовавшихся внутри орбиты Юпитера, была существенно выше, чем вероятность столкновения тел из внешней части Солнечной системы. Поэтому вклад внутренних тел в доставку вещества на Землю давно рассматривается как значительный, — отмечает ученый.
По его словам, главная ценность новой работы заключается не столько в пересмотре роли Юпитера, сколько в попытке объяснить, почему в земной мантии сегодня наблюдается именно такое соотношение фосфора и азота. В этом смысле исследование помогает лучше понять, насколько важную роль в формировании будущей обитаемости Земли могли сыграть процессы, происходившие в ее ближайшем космическом окружении.
Зачем нужен фосфор
Без фосфора жизнь в известном нам виде была бы просто невозможна. Из него состоят молекулы ДНК и РНК, он участвует в хранении и переносе энергии внутри клеток, а также входит в состав клеточных мембран. Но наличие элемента и его доступность для химических реакций — не одно и то же.
Как объясняют доктор биологических наук, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова Александр Мулкиджанян и кандидат биологических наук, старший научный сотрудник НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова Дарья Диброва, сегодня большая часть фосфора на Земле существует в форме фосфатов — солей фосфорной кислоты. Они плохо растворяются в воде и не слишком охотно вступают в химические реакции. Именно поэтому современное сельское хозяйство зависит от фосфорных удобрений, а многие экосистемы испытывают дефицит этого элемента.
Для ученых, изучающих происхождение жизни, это создает серьезную проблему. Если даже на современной Земле доступного фосфора относительно немного, то не ясно, каким образом первые молекулы РНК смогли образоваться более 4 млрд лет назад
— Задача про источник обильного, доступного фосфора на древней Земле очень нетривиальна, поэтому обычно о необходимости фосфора «забывают», — отмечают собеседники «Известий».
Чаще всего внимание сосредоточено на поиске воды, органических веществ или источников энергии, тогда как проблема доступного фосфора зачастую воспринимается как второстепенная. Между тем без решения именно этой задачи многие сценарии возникновения жизни оказываются химически нереалистичными.
Еще в середине прошлого века ученые предположили, что на древней бескислородной Земле фосфор мог существовать не только в форме фосфатов, но и в виде более восстановленных соединений — фосфитов. Такие вещества гораздо лучше растворяются в воде и значительно легче участвуют в химических реакциях, необходимых для формирования сложных органических молекул.
— Молекулы РНК состоят из рибонуклеотидов, соединенных друг с другом фосфатными группами. Спонтанно такие полимеры могли образовываться, только если было много фосфорных соединений, способных вступать в химические реакции, — подчеркивают исследователи.
Однако для ученых важно не только установить источник этих соединений, но и понять, в какой форме фосфор существовал на ранней Земле и насколько он был доступен для химических процессов, которые в конечном итоге привели к появлению первых живых систем.
Могла ли Земля сама создать условия для жизни
Спор о древних метеоритах и роли Юпитера оказывается лишь частью гораздо более масштабной научной задачи. Даже если ученые точно установят источник фосфора на ранней Земле, им еще предстоит объяснить, каким образом этот элемент стал доступен для химии жизни.
Одно из возможных решений предлагают Александр Мулкиджанян, Дарья Диброва и их коллеги. Согласно их гипотезе, ключевую роль в обеспечении ранней Земли доступным фосфором могли сыграть геотермальные поля и интенсивная вулканическая активность.
В качестве примера исследователи приводят вулкан Кудрявый на Курильских островах. Температура его магмы значительно выше, чем у большинства современных вулканов, благодаря чему вулканический пар способен переносить необычно большие количества фосфора и других элементов, необходимых для жизни. Работы группы геохимика Андрея Бычкова показали, что при высоких температурах фосфор эффективно выносится из недр планеты вместе с вулканическим паром и может накапливаться в приповерхностной среде.
По мнению исследователей, подобные процессы были широко распространены на молодой Земле. После гигантского столкновения, которое привело к образованию Луны, земная мантия на протяжении длительного времени оставалась значительно более горячей, чем сегодня. В результате вулканическая активность была намного интенсивнее, а условия во многих системах могли напоминать те, что сейчас наблюдаются лишь в самых горячих фумаролах — трещинах и отверстиях в вулканических районах, через которые на поверхность выходят раскаленные газы и пар.
— Пока земная мантия оставалась перегретой после лунообразующего удара, с паром всех земных вулканов на поверхность должно было выноситься очень большое количество фосфорных соединений, обеспечивая их обилие на поверхности Земли, — подчеркивают ученые.
По мнению ученых, такой механизм мог на протяжении миллионов лет снабжать поверхность планеты химически активными соединениями фосфора, создавая благоприятные условия для процессов, предшествовавших возникновению жизни.