Как развивалась жизнь на ранней Земле? Обнаружен новый источник азота

Живым организмам необходим азот как центральный строительный блок, например, для образования белков. Однако, хотя в атмосфере много азота, ни люди, ни подавляющее большинство растений не могут усваивать его напрямую из воздуха.

Так же, как и сегодня, ранняя жизнь на Земле зависела от фиксации азота микробами, то есть от их преобразования атмосферного азота в соединения, которые могут усваиваться и использоваться живыми организмами.

Детали процессов, происходивших на Земле миллиарды лет назад, далеко не известны: каковы были источники азота на ранней Земле? Как они использовались? И что это означало для дальнейшего развития жизни?

Исследовательница RPTU доктор Мишель Герингер работает именно над этими вопросами. Она геомикробиолог и изучает взаимодействия между микроорганизмами и геохимическими процессами.

Фиксация азота стабильна при изменяющихся условиях среды

Под её руководством недавно была проверена методика измерений, показывающая, что биологическая фиксация азота остаётся стабильной при изменяющемся составе атмосферы. Чтобы понять подход исследовательницы, важно знать, что азот имеет два стабильных изотопа, ¹⁵N и ¹⁴N.

Герингер объясняет: «Азот — это смесь лёгкого атома ¹⁴N и более тяжёлого атома ¹⁵N. Когда современные микробы используют азот в своём метаболизме, они используют эти два изотопа в определённом соотношении друг к другу. Мы измеряем это, сжигая азотсодержащую биомассу и собирая выделяющийся при сгорании азот».

«До сих пор всегда предполагалось, что у микробов одинаковое соотношение ¹⁵N/¹⁴N, даже если они живут в совершенно разных условиях среды — без кислорода и с гораздо более высоким содержанием углекислого газа. Однако никто ещё не проверял, так ли это на самом деле». Поскольку условия среды влияют на скорость метаболизма, они, предположительно, могут влиять и на соотношение ¹⁵N/¹⁴N.

Исследователи культивировали цианобактерии в условиях, сходных с условиями ранней Земли, то есть без кислорода и с очень высоким содержанием CO₂. «Мы обнаружили, что соотношение ¹⁵N/¹⁴N у цианобактерий остаётся стабильным. Таким образом, наши результаты подтверждают предположение, что это соотношение было одинаковым на протяжении всей истории Земли».

Азот также усваивался в форме растворённого аммония

Основываясь на этом, Герингер и другие исследователи под руководством её коллеги доктора Эшли Мартин из Университета Нортумбрии (Великобритания) и доктора Евы Штюкен из Университета Сент-Эндрюс (Великобритания) изучили азотный цикл в древних строматолитах — осадочных породах органического происхождения.

Древние породы возрастом около 2,7 миллиарда лет содержат останки различных микроорганизмов и могут дать исследователям информацию об их экосистемах и экологических нишах в прошлом. Герингер говорит: «Мы получили доступ к нетронутой, невыветренной породе, которую измельчили в мелкий порошок и проанализировали на изотопы азота».

С помощью измерений соотношения ¹⁵N/¹⁴N исследователи обнаружили, что, в отличие от современных строматолитов, органический материал древних строматолитов не зависел исключительно от биологической фиксации газообразного азота цианобактериями.

Если быть точнее, результаты исследования указывают на дополнительное поглощение азота в форме растворённого аммония. «И наиболее правдоподобный источник для этого — гидротермальная активность на морском дне», — говорит Герингер.

Исследователи также изучили осадочные породы в вулканическом бассейне, которому также около 2,7 миллиарда лет. Аммоний из гидротермальных источников также оказался значимым в этой системе.

Значит ли это, что жизнь на Марсе тоже возможна?

«До сих пор предполагалось, что жизнь на ранней Земле, до обогащения атмосферы кислородом, была ограничена недостатком биологически доступного азота». Текущие исследования доказывают дополнительную роль аммония из глубоководных гидротермальных источников.

«С помощью гидротермальных источников азот не ограничивал распространение жизни на ранней Земле. Напротив, жизнь могла процветать как в глубоководных, так и в мелководных морских средах». И, по словам Герингер, это позволило развиться большому разнообразию микроорганизмов, которое мы наблюдаем и сегодня.

Что эти открытия могут означать для жизни на других планетах? «Гидротермальная активность задокументирована на Марсе и, вероятно, происходит и на ледяных лунах во внешней Солнечной системе». Вполне возможно, что там происходили или до сих пор происходят процессы, подобные тем, что были на ранней Земле.

Исследование опубликовано в журналах Nature Communications, Applied and Environmental Microbiology и Geology.