Жизнь зародилась не в океане — цистеин, таурин и другие биомолекулы падали с неба как дождь 4 млрд лет назад

Древняя атмосфера Земли могла гораздо активнее участвовать в зарождении жизни, чем считалось раньше. Группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере и их коллег показала, что несколько млрд лет назад воздушная оболочка планеты могла постоянно генерировать серосодержащие органические молекулы, входящие в состав ключевых биоструктур.

Авторы отмечают, что их выводы ломают давнее представление: считалось, что соединения на основе серы появляются уже в функционирующей биосфере как продукт метаболизма, а не формируются в неживой среде. Ведущий автор, исследователь НАСА Нейт Рид, выполнявший эту работу в департаменте химии и Кооперативном институте исследований в области окружающей среды (CIRES) Университета Колорадо, подчёркивает, что такие результаты помогают по-новому взглянуть на самые ранние этапы эволюции живых систем. Он напоминает, что наряду с углеродом сера входит в состав всех известных организмов, участвует в строении ряда аминокислот и, через них, в формировании белков.

Ещё до нынешней работы геохимические модели показывали, что на молодой планете в газовой оболочке присутствовали различные сернистые компоненты. Однако прежние численные эксперименты и лабораторные имитации почти не давали заметных количеств серосодержащих молекул до появления клеток или получали их лишь при очень специфических параметрах, которые вряд ли можно распространить на всю поверхность Земли. Из-за этого многие исследователи были уверены, что такие соединения возникают преимущественно внутри уже сформированных метаболических сетей.

И появление данных космического телескопа James Webb вызвало бурное обсуждение: приборы зафиксировали на экзопланете K2-18b диметилсульфид — вещество, которое на современной Земле выделяют в основном морские водоросли. Многие восприняли такой сигнал как возможный биоиндикатор на чужом мире. Однако в предыдущей серии экспериментов Нейт Рид и куратор нынешнего проекта, профессор химии и сотрудница CIRES Элли Браун, показали, что диметилсульфид может синтезироваться без участия живых организмов — под действием света в смеси обычных атмосферных газов. Тем самым учёные продемонстрировали, что даже сложные серосодержащие соединения не обязательно указывают на существование живых существ.

В новой работе группа решила напрямую проверить, на что была способна воздушная среда древней Земли. Для этого в лаборатории собрали смесь метана, углекислого газа, сероводорода и азота и облучали её светом, имитируя условия до появления первых клеток. По словам Элли Браун, работа с серой в таких установках особенно сложна: соответствующие компоненты легко осаждаются на стенках приборов, а в реальной воздушной среде их концентрации на порядки ниже, чем у CO₂ и N₂. Чтобы не потерять следовые количества продуктов, исследователям потребовалось крайне чувствительное масс-спектрометрическое оборудование, способное различать и количественно оценивать множество разных химических соединений.

Когда полученную продукцию проанализировали на масс-спектрометре, оказалось, что экспериментальная воздушная система генерирует целый спектр серосодержащих биомолекул. Среди обнаруженных соединений — аминокислота цистеин, таурин и кофермент М, играющий важную роль в метаболизме некоторых микробов. Помимо этих структур, установка производила и другие органические компоненты такого типа, что говорит о высокой химической активности такой модели.

Далее команда пересчитала полученные выходы на планетарный масштаб: если подобные реакции шли в полной древней атмосфере, она могла бы производить такое количество цистеина, которого хватило бы примерно на 1 октиллион клеточных организмов, то есть на число порядка 10^27. Для сравнения, современная биосфера содержит около 1 нониллиона живых структур — порядка 10^30. Хотя это уже значительно больше, чем потенциальный запас в эпоху до появления первых организмов, расчёты всё равно указывают на гигантский резервуар серосодержащих аминокислот даже в мире без метаболизма.

Авторы предполагают, что подобный химический «конвейер» в небе мог буквально поливать поверхность планеты готовыми строительными блоками: серосодержащие соединения выпадали бы вместе с дождём в океаны и на сушу, попадая затем в локальные очаги сложной химии. Подходящими местами могли служить районы вулканической активности и гидротермальные источники, где уже существовали резкие градиенты температуры и состава растворов. Ранее считалось, что в таких нишах организация первых самовоспроизводящихся систем должна была начинаться с очень простых реагентов, но новые данные указывают: значительная часть более сложных молекул могла быть заранее распределена по миру без каких-либо уникальных условий.

Сочетание атмосферной химии и локальных экстремальных зон, по мысли команды, делает сценарий появления первых организмов менее невозможным, чем он часто выглядит на схемах. Жёсткие условия у вулканов или на дне океана по-прежнему оставались необходимы для запуска самоподдерживающихся реакций, но им уже не требовалось собирать все ингредиенты с нуля: часть заготовок поступала сверху, с небесного реактора. Такой взгляд меняет не только представления о ранней Земле, но и критерии поиска потенциально обитаемых миров: если сложные серосодержащие соединения могут возникать в газовых оболочках без участия биологии, а затем оседать на поверхности, то возможности для возникновения жизни выглядят куда более универсальными, чем казалось ещё совсем недавно.