Вчені відтворили умови первісної Землі в лабораторії

Міжнародна група вчених відтворила в лабораторії умови первісної Землі, щоб з'ясувати, як могли утворитися молекулярні попередники життя. Дослідження, опубліковане в Journal of the American Chemical Society у 2025 році, імітує гідротермальні джерела глибоко в океані, які, як вважають науковці, існували близько 4 мільярдів років тому.

Експеримент показав, як природні градієнти, а не ферменти, могли запускати перші хімічні реакції життя. Результати підтверджують теорію про походження протометаболізму без потреби в так званому первинному бульйоні.

Глибоко під поверхнею океану гідротермальні джерела досі викидають гарячі рідини, багаті мінералами, в холодну навколишню воду. Ці системи можуть бути не просто геологічними утвореннями, а біохімічними двигунами, які допомогли зародитися життю. Дослідники побудували контрольовані лабораторні середовища, що імітують ці джерела. Вони виявили, що за правильних умов такі середовища можуть генерувати електрохімічні градієнти, достатньо потужні, щоб відновити вуглекислий газ до мурашиної кислоти, а згодом до оцтової кислоти. Це важливі етапи одного з найдавніших біохімічних шляхів на Землі.

В основі цієї теорії лежить ідея, що природні контрасти в рівні кислотності, температурі та окисно-відновному потенціалі, а не біологічні ферменти, могли живити ранні хімічні реакції.

«Гіпотеза полягає в тому, що ці фізико-хімічні контрасти, присутні поблизу термальних джерел, генерують природну напругу, як це відбувається між внутрішньою та зовнішньою частиною мітохондрій. Саме ця напруга підтримує хімічні реакції», — пояснив Тіаго Альтаїр Феррейра, провідний автор дослідження та науковець інституту RIKEN в Японії.

Це природне джерело енергії, створене виключно навколишнім середовищем, могло викликати перші проблиски протометаболізму. Концепція передбачає, що хімія життя почалася без самого життя.

Під час гадейського еону Земля ще формувалася — геологічно нестабільна, обстрілювана метеоритами та вкрита первісним океаном. Цей океан, холодніший і кисліший за сучасні моря, контактував з лужними рідинами, що виривалися з підводних джерел. Градієнти температури та кислотності, що виникли внаслідок цього, створили хімічне поле для експериментів.

«У гадейський період існував холодніший, кисліший океан, а з гідротермальних джерел виходила гаряча лужна рідина. Лише це створювало певну напругу, порівнянну з тією, яка існує в клітинних процесах сьогодні. Наш експеримент мав визначити, чи може ця напруга сама по собі викликати реакцію фіксації вуглецю. І ми виявили, що може», — підсумовує Феррейра.

Ця напруга генерувалася, коли багаті воднем лужні рідини змішувалися з кислою морською водою через стінки із сульфідів заліза та нікелю, заповнені мікропорами. Така конструкція нагадує архітектуру біологічних мембран. Ці провідні мінеральні бар'єри дозволяли електронам текти, а вуглекислому газу відновлюватися до багатих енергією молекул. Цей процес не потребував ферментів чи органічних молекул. Він спирався виключно на неорганічну хімію, відсуваючи межу того, де можуть починатися процеси, подібні до життя.

Одним з найцікавіших аспектів дослідження є використання мінералів залізо-сірка та залізо-нікель-сірка, які дуже нагадують металеві ядра сучасних ферментів. Ці мінерали діяли як каталізатори в експериментах, знижуючи енергетичні бар'єри, необхідні для ключових хімічних реакцій.

«Мінерали залізо-сірка та залізо-нікель-сірка дуже схожі на металеві центри, які ми бачимо сьогодні в різних ферментах. Це дозволяє нам розглядати протометаболізм — метаболізм без ферментів — як тригер процесу», — каже Феррейра.

Дослідники зосередилися на формуванні двох основних сполук: мурашиної кислоти та оцтової кислоти. Це не просто прості молекули — вони є ранніми учасниками шляху Вуда-Льюнгдаля, маршруту фіксації вуглецю, який використовують деякі з найдавніших мікробів Землі.

«Ми зосередилися на двох продуктах: мурашиній кислоті та оцтовій кислоті. Перший крок — перетворення вуглекислого газу в мурашину кислоту, а потім в оцтову кислоту — є обмежувальним фактором у процесі, найскладнішою частиною з точки зору енергії. Ми вирішили це, використовуючи лише мінерали», — пояснює Феррейра.

Це свідчить про те, що хімічний порядок, а не випадковість, був присутній з самого початку, дозволяючи формуватися важливим молекулярним структурам спрямованим і стійким способом.

Вражаючим результатом дослідження стало виявлення електричних струмів масштабу наноампер — крихітних, але постійних зарядів, які живили відновлення вуглекислого газу. Експериментальні реактори, побудовані для імітації інтерфейсу первісного океану та джерел, не потребували штучного живлення. Натомість роботу виконували ті самі енергетичні градієнти, присутні в природі.

«Це свідчить про те, що дуже малих, але постійних електричних струмів на дні первісного моря було б достатньо для підтримки протометаболізму», — коментує Феррейра.

Ці результати з'єднують геологію та біологію, показуючи, що рання хімія життя могла не потребувати жодних складних механізмів. Кількох ключових умов — правильних мінералів, різких градієнтів і безперервного потоку — могло бути достатньо для підтримки рудиментарного метаболізму задовго до появи ферментів чи ДНК. Процес нагадує те, що відбувається в мітохондріях сьогодні, підкреслюючи, наскільки мало змінилися фундаментальні правила життя за мільярди років.