Международная группа исследователей обнаружила, что жизнь на Земле уже более трех миллиардов лет назад использовала молибден — металл, который в ту эпоху был крайне редким элементом в окружающей среде. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications и могут серьезно изменить представления ученых о ранней эволюции жизни на нашей планете.
Исследование посвящено одному из ключевых вопросов астробиологии и геохимии: насколько сложной была ранняя жизнь на Земле и какие химические элементы были необходимы первым организмам для выживания.
Почему молибден так важен для жизни
Сегодня молибден играет критически важную роль в биохимии живых организмов. Этот металл входит в состав ферментов, участвующих в азотном обмене, переработке углерода и других фундаментальных процессах клеточного метаболизма.
Особенно важен молибден для фермента нитрогеназы — молекулярного комплекса, который позволяет микроорганизмам связывать атмосферный азот и превращать его в соединения, пригодные для биологических процессов. Без этого механизма развитие сложной биосферы было бы практически невозможно.
Проблема заключается в том, что древняя Земля была совсем не похожа на современную планету. Более трех миллиардов лет назад океаны содержали крайне мало кислорода, а молибден считался одним из самых дефицитных элементов в морской воде. Именно поэтому многие ученые предполагали, что ранняя жизнь просто не могла активно использовать этот металл.
Новое исследование впервые показало, что организмы все же научились использовать молибден даже в условиях его острого дефицита.
Как ученые пришли к этому выводу
Исследователи анализировали древние осадочные породы возрастом более трех миллиардов лет. Главная цель заключалась в поиске химических следов древнего метаболизма.
Особое внимание уделялось изотопам молибдена. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента с разным количеством нейтронов. Биологические процессы могут изменять соотношение изотопов, оставляя характерные химические «подписи» в древних породах.
Именно такие сигнатуры и были обнаружены в образцах. По словам авторов работы, найденные аномалии невозможно объяснить только геологическими процессами. Наиболее вероятное объяснение — участие древних микроорганизмов, использовавших молибден в своем метаболизме.
Это означает, что сложные биохимические механизмы появились на Земле значительно раньше, чем предполагалось ранее.
Ранняя Земля была гораздо сложнее, чем считалось
Долгое время существовало представление, что ранняя биосфера Земли была относительно примитивной. Согласно этой модели, первые организмы использовали ограниченный набор химических реакций и лишь постепенно переходили к более сложным формам обмена веществ.
Однако последние исследования все чаще показывают противоположную картину.
За последние годы ученые обнаружили:
- признаки жизни возрастом свыше 3,3 миллиарда лет;
- возможные следы раннего фотосинтеза;
- свидетельства существования сложных микробных экосистем;
- признаки активного круговорота химических элементов уже на очень раннем этапе истории Земли.
Новая работа с молибденом хорошо вписывается в эту тенденцию. Если микроорганизмы уже тогда использовали столь редкий металл, значит их биохимия была гораздо более развитой, чем считалось еще несколько десятилетий назад.
Почему это открытие важно для поиска внеземной жизни
Исследование имеет большое значение не только для изучения древней Земли, но и для поиска жизни за пределами нашей планеты.
Современная астробиология во многом строится на идее, что жизнь требует определенного набора химических элементов и стабильных условий среды. Но новое исследование показывает: даже крайне редкие элементы могут использоваться биосферой, если эволюция успевает выработать соответствующие механизмы.
Это расширяет представления ученых о потенциально обитаемых мирах.
Например, некоторые экзопланеты могут обладать необычной химией океанов или атмосферы, где жизненно важные элементы присутствуют лишь в микроскопических количествах. Ранее такие миры считались менее перспективными для жизни. Теперь ученые вынуждены пересматривать эти оценки.
Кроме того, исследование показывает, насколько быстро жизнь способна адаптироваться к экстремальным условиям. Земля в архее была крайне негостеприимным миром:
- атмосфера почти не содержала кислорода;
- поверхность подвергалась интенсивной вулканической активности;
- уровень ультрафиолетового излучения был значительно выше современного;
- океаны имели совершенно иной химический состав.
Несмотря на это, жизнь не только появилась, но и достаточно быстро освоила сложные биохимические процессы.
Что это говорит о происхождении жизни
Вопрос происхождения жизни остается одной из крупнейших научных загадок. До сих пор неизвестно, насколько вероятно самопроизвольное возникновение живых систем.
Существуют две основные точки зрения:
- Жизнь возникает относительно легко при подходящих условиях.
- Возникновение жизни — чрезвычайно редкое событие.
Некоторые ученые считают, что быстрое появление жизни на молодой Земле говорит в пользу первого варианта. Другие отмечают, что одного примера — нашей планеты — недостаточно для окончательных выводов.
Однако новые данные о раннем использовании молибдена добавляют важную деталь: уже очень древние организмы демонстрировали высокий уровень химической адаптации. Это может означать, что эволюция сложного метаболизма началась почти сразу после появления первых живых систем.
Молибден и азот: связь, изменившая биосферу
Одним из важнейших последствий использования молибдена стало развитие азотного цикла.
Хотя атмосфера Земли примерно на 78% состоит из азота, большинство организмов не может использовать его напрямую. Для превращения атмосферного азота в биологически доступные соединения необходимы специальные микроорганизмы.
Сегодня главную роль в этом процессе играет молибденовая нитрогеназа. Если древние микроорганизмы уже обладали подобными механизмами, это означает, что азотный цикл сформировался намного раньше предполагаемых сроков.
А это, в свою очередь, могло ускорить развитие всей ранней биосферы Земли. Более эффективное использование азота позволяло микроорганизмам быстрее размножаться, создавать устойчивые экосистемы и постепенно менять химический состав планеты.
Некоторые исследователи считают, что именно деятельность древних микробов в итоге подготовила Землю к появлению кислородной атмосферы и сложной жизни.
Земля могла быть пригодной для жизни очень рано
Современные исследования все чаще показывают, что Земля стала пригодной для жизни вскоре после своего формирования.
Возраст планеты составляет около 4,5 миллиарда лет. При этом некоторые модели предполагают, что жизнь могла появиться уже более 4 миллиардов лет назад — практически сразу после окончания периода интенсивной метеоритной бомбардировки.
Если это действительно так, то у эволюции было достаточно времени для формирования сложных биохимических систем уже к эпохе, исследованной в новой работе.
Фактически ученые постепенно переходят от представления о «примитивной ранней Земле» к модели, где древняя биосфера была динамичной, химически разнообразной и способной к быстрому развитию.
Что исследователи планируют дальше
Теперь ученые намерены искать аналогичные следы использования молибдена и других редких металлов в еще более древних породах.
Кроме того, подобные методы могут применяться при анализе образцов с Марса и других тел Солнечной системы. Если когда-либо марсианские микроорганизмы существовали и использовали сложный метаболизм, их химические следы теоретически могут сохраниться в древних породах.
Поэтому исследования ранней Земли сегодня становятся одновременно и инструментом для понимания нашего прошлого, и основой будущего поиска внеземной жизни.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
