Ученые объяснили, как древние моря сформировали жизнь на Земле

Недавние исследования показали, что образование гриналита в древних океанах сыграло решающую роль в определении доступности некоторых металлов, таких как марганец и молибден, которые были жизненно важны для ранних форм жизни. Это открытие, сделанное путем воссоздания архейской морской воды в лаборатории, предлагает новое понимание эволюционных процессов ранней жизни.

 

Ученые очень мало знают об условиях в океане, когда жизнь впервые возникла, но новое исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, показало, как геологические процессы контролировали наличие питательных веществ, необходимых для ее развития.

 

Вся жизнь использует питательные вещества, такие как цинк и медь, для образования белков. Самые древние формы жизни возникли в архейском эоне, за три с половиной миллиарда лет до первого появления динозавров. Эти микробы отдавали предпочтение таким металлам, как молибден и марганец, по сравнению со своими более поздними собратьями. Считается, что это предпочтение отражает наличие металлов в океане в то время.

 

Исследователи из Кейптаунского университета (UCT) и Оксфордского университета воссоздали в лаборатории древнюю морскую воду. Они обнаружили, что гриналит, минерал, распространенный в архейских породах, образуется быстро и в процессе удаляет цинк, медь и ванадий. Поскольку гриналит формировался в ранних океанах, эти металлы были удалены из морской воды, в результате чего она стала богатой другими металлами, такими как марганец, молибден и кадмий. Любопытно, что металлы, которые, по их прогнозам, были наиболее распространены в архейской морской воде, соответствуют металлам, выбранным ранними формами жизни, что объясняет, почему им отдавалось предпочтение на ранней стадии эволюции.

 

Ведущий исследователь доктор Розали Тостевин (Оксфордский университет на момент исследования, ныне старший преподаватель кафедры геологических наук UCT) сказала: «Мы были очень взволнованы, когда заметили, что наши результаты совпадают с предсказаниями биологов, которые используют совершенно другой подход. Всегда обнадеживает, когда специалисты в других областях делают аналогичные выводы».

 

Ученые сходятся во мнении, что архейская морская вода сильно отличалась от современной: в ней было больше растворенного железа и кремнезема и практически не было кислорода. Однако нет единого мнения по поводу других аспектов химии морской воды, таких как концентрация питательных веществ.

 

«Мы не можем вернуться в прошлое, чтобы взять пробу морской воды и проанализировать ее, поэтому реконструкция архейских условий является довольно сложной задачей. Один из подходов — изучить химический состав осадочных пород, однако химический состав очень старых пород иногда меняется. Вместо этого мы решили создать миниатюрную версию древней морской воды в лаборатории, где мы могли бы непосредственно наблюдать за происходящим», — рассказал Тостевин.

 

Тостевин и ее коллега Имад Ахмед воссоздали архейскую морскую воду в специальной бескислородной камере и наблюдали, как начал формироваться гриналит. Они наблюдали резкие изменения концентрации металлов в морской воде по мере образования минералов. Они использовали рентгеновскую адсорбционную спектроскопию на синхротроне Diamond Light Source, чтобы доказать, что металлы проникают в минералы. Напротив, другие металлы не пострадали от этого процесса и оставались на высоких уровнях в морской воде.

 

Тостевин сказала: «Мы знаем, что гриналит был важен на ранней Земле, потому что мы продолжаем находить его в старых породах, таких как железная руда в Северном Кейпе, Южная Африка, и подобных породах в Австралии. Мы думаем, что это мог быть один из самых важных минералов архея. Но мы не знаем точно, как формировался гриналит в природе. Одна из возможностей заключается в том, что гриналит образовался глубоко в океане, в гидротермальных источниках. Но он также мог образоваться на мелководье, где было небольшое изменение pH».

 

Тостевин и Ахмед решили провести свои эксперименты в обоих типах условий и обнаружили, что независимо от того, как формируется гриналит, он удаляет металлы одинаковым образом.

 

Один из вопросов, который беспокоил исследователей, заключался в том, будут ли металлы заперты на долгое время или выброшены обратно в морскую воду через несколько месяцев или лет. Чтобы проверить это, они нагрели минералы, чтобы имитировать то, что происходит в природе, когда они закапываются и подвергаются кристаллизации. Металлы остались в минерале, что позволяет предположить, что это был постоянный сток металлов, который мог оказать глубокое воздействие на раннюю морскую воду.