Одна з найбільших наукових загадок – як зародилося життя на Землі. У спробах розв’язати цю загадку дослідники часто зосереджуються на ролі глибоководних гідротермальних джерел. У їхніх шлейфах містяться мінерали – сульфіди заліза, які, на думку вчених, могли сприяти виникненню перших хімічних реакцій, що призвели до появи життя.
Ці мінерали нині наявні в гарячих джерелах, наприклад у Великому призматичному джерелі Єллоустоунського національного парку (США). Гарячі джерела – це водойми з підземними водами, які нагріваються внаслідок вулканічної активності під поверхнею Землі.
Нове дослідження доповнило перелік доказів того, що прадавні версії цих гарячих джерел могли відіграти ключову роль у виникненні життя на Землі. Це допомагає подолати розрив між конкурентними гіпотезами про місце зародження життя.
Фіксація вуглецю – це процес, завдяки якому живі організми перетворюють вуглекислий газ, що міститься в повітрі та розчинений у воді, на органічні молекули. Багато форм життя, зокрема рослини, бактерії та мікроорганізми (археї), використовують різні способи для досягнення цієї мети. Одним із прикладів є фотосинтез.
Кожен із цих способів охоплює каскад ферментів і білків, деякі з яких містять ядра із заліза та сірки. Білки з такими залізо-сірчаними кластерами наявні в усіх формах життя. На думку дослідників, вони походять від останнього універсального спільного предка – прадавньої клітини, з якої, як припускають науковці, розвинулося та урізноманітнилося життя в його сучасних формах.
Сульфіди заліза утворюються внаслідок реакції розчиненого заліза із сірководнем – вулканічним газом, який надає гарячим джерелам запаху тухлих яєць. Під час вивчення структури сульфідів заліза можна виявити, що деякі з них надзвичайно подібні до залізо-сірчаних кластерів.
Такий зв’язок між сульфідами заліза та фіксацією вуглецю спонукав науковців припустити, що ці мінерали відіграли вирішальну роль у переході від геохімії ранньої Землі до біології. Нове дослідження розширює ці знання, вивчаючи хімічну активність сульфідів заліза в прадавніх наземних гарячих джерелах, геохімія яких подібна до геохімії глибоководних джерел.
Науковці створили спеціальну камеру для моделювання середовища гарячих джерел ранньої Землі. У ній розмістили синтезовані зразки сульфіду заліза: частина з них була чистою, до інших додали метали, типові для гарячих джерел. Лампа над зразками імітувала сонячне світло на поверхні ранньої Землі. Для відтворення різної інтенсивності ультрафіолетового випромінювання використовували різні джерела світла.
Через камеру постійно пропускали вуглекислий газ і водень. У попередніх експериментах із глибоководними джерелами було доведено важливість цих газів для фіксації вуглецю. Дослідники виявили, що всі синтезовані зразки сульфіду заліза здатні виробляти метанол – продукт фіксації.
Результати засвідчили, що сульфіди заліза можуть сприяти фіксації вуглецю не лише в глибоководних гідротермальних джерелах, а й у наземних. Виробництво метанолу зростало під час опромінення видимим світлом і за вищих температур.
Експерименти зі зміною температури, освітлення та вмісту водяної пари довели, що сульфіди заліза, ймовірно, сприяли фіксації вуглецю в наземних гарячих джерелах на ранній Землі. Додаткові експерименти й теоретичні розрахунки показали, що виробництво метанолу відбувається за механізмом зворотного водогазового зсуву.
Подібну реакцію спостерігають у деяких бактерій та архей, які перетворюють вуглекислий газ на поживні речовини. Цей процес називають «ацетил-КоА» або «шлях Вуда-Люнгдаля». Припускають, що це найдавніша форма фіксації вуглецю, що виникла на ранній стадії життя. Цікаво, що перший процес відбувається на суші, біля гарячих джерел, а другий – у вологому середовищі всередині клітин.
Дослідження також демонструє утворення метанолу в широкому діапазоні умов, які могли існувати в ранніх гарячих джерелах Землі. Його результати розширюють уявлення про умови, за яких сульфіди заліза можуть сприяти фіксації вуглецю. Вони доводять, що це може відбуватися як у морських глибинах, так і на суші, хоча й через різні механізми.
Науковці вважають, що ці результати підтверджують наявний науковий консенсус щодо давності залізо-сірчаних кластерів та ацетил-КоА-шляху, які, ймовірно, відіграли важливу роль у виникненні життя – незалежно від того, де це сталося: на суходолі чи на дні моря.
Раніше японські науковці провели експеримент, у рамках якого було відтворено умови ранньої Землі.