Гидротермальные системы как источник фосфора для ранней жизни
Фосфор — один из ключевых элементов жизни, без которого невозможны ни ДНК, ни клеточные мембраны, ни энергетические молекулы вроде АТФ. Однако на ранней Земле этот критически важный элемент был «заперт» в нерастворимых минералах, что ставило перед учеными сложный вопрос: как фосфор стал доступным для первых живых организмов?
Новое исследование, проведенное группой японских ученых из Университета Тохоку, проливает свет на эту загадку. Анализируя древние базальтовые породы возрастом 3,455 миллиарда лет, исследователи обнаружили, что подводные гидротермальные системы могли быть мощными «фабриками» по производству растворимого фосфора, создавая условия для возникновения и развития жизни в архейских океанах.
Ученые сосредоточились на образцах базальтовых пород из кратона Пилбара в Западной Австралии — одного из древнейших геологических регионов планеты. Эти породы сохранили следы гидротермальных процессов, которые происходили более 3,4 миллиарда лет назад. Минералогический и геохимический анализ показал, что фосфор активно выщелачивался из пород под воздействием гидротермальных флюидов. При этом наиболее интенсивное растворение фосфатов происходило в условиях, характерных для архейской эры — высокой концентрации CO₂ в атмосфере и специфического состава гидротермальных растворов.
Исследователи выделили два типа флюидов, ответственных за высвобождение фосфора:
- Сульфидные высокотемпературные растворы, связанные с активными гидротермальными источниками.
- Слабокислые или щелочные низкотемпературные флюиды, обогащенные CO₂, которые были широко распространены в архее.
Особый интерес представляет второй тип, поскольку расчеты показали, что такие растворы могли содержать до 2 миллимолярных (мМ) фосфата — в тысячу раз больше, чем в современной морской воде. Это означает, что гидротермальные системы не только локально обогащали океан фосфором, но и могли обеспечивать его глобальный круговорот, сопоставимый по масштабам с современным поступлением фосфора за счет континентального выветривания.
Значение для происхождения жизни
Полученные данные имеют важные последствия для понимания ранних этапов биологической эволюции. Гидротермальные поля, где фосфор накапливался в доступной форме, могли служить «инкубаторами» для первых микроорганизмов. Такие среды обеспечивали не только необходимые химические элементы, но и стабильные условия с постоянным притоком энергии и минералов.
Кроме того, исследование предполагает, что аналогичные процессы могли происходить не только на морском дне, но и в наземных гидротермальных системах, таких как горячие источники. Это расширяет возможные сценарии зарождения жизни, включая как «черных курильщиков» океанических рифтов, так и мелководные геотермальные водоемы.
Перспективы дальнейших исследований
Хотя работа дает убедительные доказательства роли гидротермальных процессов в цикле фосфора, многие вопросы остаются открытыми. Например, как изменялась динамика фосфорного обмена между породами и водой в разные геологические эпохи? Могли ли другие факторы, такие как вулканическая активность или метеоритные воздействия, влиять на доступность фосфора? Дальнейшие исследования древних пород и моделирование архейских условий помогут уточнить эти детали.
Открытие японских ученых добавляет новый важный элемент в мозаику гипотез о происхождении жизни. Если раньше главной загадкой было, как нерастворимые фосфаты стали частью биологических молекул, то теперь появляется убедительное объяснение: гидротермальные системы могли быть естественными «реакторами», преобразующими фосфор в биодоступную форму. Это не только углубляет наше понимание ранней Земли, но и может иметь значение для поиска жизни на других планетах, где аналогичные геохимические процессы могли создать условия для ее возникновения.