Воссоздание древней морской воды показало, какие питательные вещества формировали эволюцию ранней жизни

Новое исследование, опубликованное в Nature Geoscience, раскрыло, как геологические процессы контролировали доступность питательных веществ, которые подпитывали развитие первых форм жизни.

Вся жизнь использует такие питательные вещества, как цинк и медь, для формирования белков. Самые древние формы жизни эволюционировали в архейском эоне, за три с половиной миллиарда лет до появления динозавров. Эти микробы демонстрировали предпочтение таким металлам, как молибден и марганец, по сравнению с более поздними организмами. Считается, что это предпочтение отражает доступность металлов в океане того времени.

Исследователи из Кейптаунского университета (UCT) и Оксфордского университета воссоздали древнюю морскую воду в лаборатории. Они обнаружили, что гриналит — минерал, часто встречающийся в архейских породах, — образуется быстро и в процессе удаляет цинк, медь и ванадий.

По мере образования гриналита в ранних океанах эти металлы удалялись из морской воды, оставляя её богатой другими металлами, такими как марганец, молибден и кадмий. Примечательно, что металлы, которые, по их прогнозам, были наиболее обильны в архейской морской воде, совпадают с теми, которые выбрали ранние формы жизни, что объясняет, почему они были предпочтительны на ранних этапах эволюции.

Ведущий исследователь доктор Розали Тоствин (на момент исследования — Оксфордский университет, ныне старший преподаватель кафедры геологических наук UCT) сказала: «Мы были очень взволнованы, когда заметили, что наши результаты совпадают с предсказаниями биологов, использующих совершенно другой подход. Это всегда обнадёживает, когда специалисты в других областях делают схожие выводы».

Учёные сходятся во мнении, что архейская морская вода сильно отличалась от современной: в ней было больше растворённого железа и кремнезёма и практически не было кислорода. Однако по другим аспектам химического состава воды, таким как концентрация питательных веществ, согласия мало.

«Мы не можем вернуться в прошлое, чтобы взять пробы морской воды и проанализировать их, поэтому реконструкция архейских условий — довольно сложная задача. Один из подходов — изучить химический состав осадочных пород, но химия очень старых пород иногда изменялась. Вместо этого мы решили создать миниатюрную версию древней морской воды в лаборатории, где могли бы непосредственно наблюдать за происходящим», — сказала Тоствин.

Тоствин и её коллега Имад Ахмед воссоздали архейскую морскую воду в специальной бескислородной камере и наблюдали, как начинает формироваться гриналит. Они зафиксировали резкие изменения концентраций металлов в морской воде по мере образования минералов. С помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии на синхротроне Diamond Light Source они доказали, что металлы попадают в минералы. В то же время другие металлы не подвергались этому процессу и оставались на высоком уровне в морской воде.

Тоствин сказала: «Мы знаем, что гриналит был важен на ранней Земле, потому что постоянно находим его в старых породах, таких как железная руда в Северном Кейпе, Южная Африка, и аналогичных породах в Австралии. Мы считаем, что это мог быть один из важнейших минералов в архее. Но мы не знаем точно, как гриналит образовывался в природе. Одна из возможностей — что гриналит формировался в глубинах океана у гидротермальных источников. Но он также мог образовываться на мелководье, где происходили небольшие изменения pH».

Тоствин и Ахмед решили провести эксперименты в условиях обоих типов и обнаружили, что независимо от способа образования гриналит удаляет металлы схожим образом.

Одним из вопросов, волновавших исследователей, было то, будут ли металлы заблокированы надолго или высвободятся обратно в морскую воду через несколько месяцев или лет. Чтобы проверить это, они нагрели минералы, чтобы смоделировать то, что происходит в природе при их захоронении и кристаллизации. Металлы оставались захваченными в минерале, что указывает на постоянный сток для металлов, который мог глубоко повлиять на состав ранней морской воды.