Дослідник із Рочестера Дастін Трейл використав хімічні процеси в цирконі у своїх експериментах для побудови більш точних комп'ютерних моделей рідинних каналів, що переносять метали з надр Землі до її поверхні. Моделі дозволяють дослідникам імітувати, які метали могли переноситися на поверхню Землі близько чотирьох мільярдів років тому, коли вперше зародилося життя. Дослідження показує, що метали, такі як марганець, можуть бути важливими сполучними ланками між "твердою" Землею і біологічними системами, що виникають на земній поверхні.
Дослідження розкриває підказки про фізичні та хімічні характеристики Землі в час, коли, як вважають, зародилося життя.
Перші ознаки життя зародилися на Землі у вигляді мікробів близько чотирьох мільярдів років тому. Хоча науковці все ще з'ясовують, коли і як саме з'явилися ці мікроби, зрозуміло, що поява життя тісно переплітається з хімічними та фізичними характеристиками ранньої Землі.
"Резонно припустити, що життя могло би початися інакше – або взагалі не початися, якби ранні хімічні характеристики нашої планети були іншими", — каже Дастін Трейл, доцент кафедри наук про Землю та навколишнє середовище Рочестерського університету.
Але якою була Земля мільярди років тому і які характеристики могли допомогти формуванню життя? У статті, опублікованій журналом Science, Трейл і Томас МакКоллом, науковий співробітник Колорадського університету у Боулдері, розкривають ключову інформацію для з'ясування цього питання. Дослідження має важливі наслідки не лише для з'ясування походження життя, а й для пошуку життя на інших планетах.
"Ми живемо в надзвичайно цікавий час, коли людство шукає життя на інших планетах і супутниках, а також в інших планетарних системах, – каже Трейл. – Але ми досі не знаємо, як – чи бодай коли – життя виникло на нашій власній планеті. Дослідження, подібні до нашого, допомагають визначити конкретні умови та хімічні процеси, що могли б сприяти виникненню життя – робота, яка, безумовно, відіграє значну роль у пошуках життя за межами нашої планети".
Значення металів у виникненні життя
Дослідження життя та його джерел зазвичай охоплює різноманітні дисципліни, зокрема геноміку – вивчення генів та їхніх функцій; протеоміку – вивчення білків; і нову галузь під назвою металоміка, що досліджує важливу роль металів у виконанні клітинних функцій. З розвитком життя потреба в певних металах змінювалась, але Трейл і МакКоллом хотіли визначити, які метали могли бути доступними, коли мікроби вперше з'явилися мільярди років тому.
"Коли висувають гіпотези щодо різних сценаріїв виникнення життя, вчені зазвичай припускають, що були наявні всі метали, оскільки не було досліджень, які б встановили геологічно обґрунтовані обмеження щодо концентрації металів у рідинах на ранніх етапах історії Землі", – каже Трейл.
Щоб усунути цю прогалину, Трейл і МакКоллом вивчили склад і характеристики рідин у літосфері – зовнішньому шарі Землі, який включає земну кору і верхню мантію – мільярди років тому. Ці літосферні рідини є ключовими шляхами транспортування розчинених частин гірських порід і мінералів між надрами Землі та гідротермальними басейнами на її поверхні, де могло формуватися мікробне життя. Хоча дослідники не можуть напряму визначити, які метали були мільярди років тому, вони шляхом визначення властивостей рідин можуть встановити, які метали – і в яких концентраціях – могли циркулювати між внутрішніми та зовнішніми частинами Землі в той час, коли на планеті виникло життя.
Підказки в мінералах віком мільярд років
Віком у мільярди років породи і мінерали часто є єдиними прямими джерелами інформації про ранню історію Землі – бо гірські породи та мінерали зберігають у собі інформацію про склад Землі на момент свого утворення.
Щоб визначити тиск кисню, вміст хлору та температуру літосферних рідин мільярди років тому, дослідники провели експерименти при високих тиску та температурі і застосували їхні результати до цирконів ранньої Землі, міцного типу мінералів, зібраних на території Західної Австралії. Далі цю інформацію ввели в комп'ютерні моделі, які дозволили їм зімітувати властивості літосферних рідин і, в свою чергу, змоделювати, які метали могли переміщатися цими рідинами, щоб досягти гідротермальних басейнів на поверхні Землі.
Розуміння того, як виникло життя
Дослідники були здивовані тим, що показали симуляції моделей. Багато вчених, наприклад, вважають мідь імовірним компонентом хімічних процесів, що могли призвести до виникнення життя. Але Трейл і МакКоллом, виходячи зі свого аналізу, не знайшли доказів того, що мідь була достатньо тоді поширеною.
Одним із металів, який вони протестували і який міг бути доступним у високих концентраціях, був марганець. Хоча його рідко розглядають у сценаріях походження життя, сьогодні марганець допомагає організму формувати кістки та допомагає ферментам розщеплювати вуглеводи та холестерин.
"Наше дослідження показує, що метали, такі як марганець, можуть бути важливими сполучними ланками між "твердою" Землею і біологічними системами, що виникають на земній поверхні", – каже Трейл.
Трейл поясню, що дослідження допоможе науковцям, які вивчають походження життя, вводити більш конкретні дані у свої експерименти та моделі.
"Експерименти, розроблені з урахуванням цієї інформації, дозволять краще зрозуміти, як виникло життя".
New models shed light on life’s origin
University of Rochester, 9.02.2023
04.03.2023