Древняя жизнь на Земле использовала молибден задолго до того, как он стал доступным

Исследователи, работающие при финансировании NASA под руководством Бетюль Качар из Университета Висконсина в Мэдисоне, обнаружили, что древние формы жизни на Земле использовали металл молибден уже более 3 миллиардов лет назад, несмотря на его крайнюю редкость в окружающей среде того времени. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, опровергает предположения о том, что жизнь сначала полагалась на вольфрам и лишь позднее перешла на молибден.

Современная биология немыслима без молибдена: этот металл входит в состав ферментов, катализирующих ключевые реакции с участием углерода, азота и серы. Он необходим для круговорота азота и других планетарных биогеохимических циклов. Однако геологические данные указывают, что в океанах архейской эпохи молибдена было ничтожно мало. Его концентрация заметно выросла только около 2,45 миллиарда лет назад, в период Великого окислительного события, когда фотосинтезирующие микроорганизмы насытили атмосферу кислородом.

Ученые долго спорили: как жизнь могла полагаться на столь дефицитный элемент? Одна из гипотез предполагала, что ранние организмы использовали более доступный вольфрам, и только позже, с ростом содержания молибдена, произошла эволюционная замена. Новое исследование ставит эту гипотезу под сомнение.

Команда ученых реконструировала эволюционные отношения живых организмов и сопоставила их с временной шкалой доступности металлов на древней Земле. Результаты показали, что ферментные системы, использующие как молибден, так и вольфрам, уходят корнями глубоко в архейскую эру, в промежуток между 3,7 и 3,1 миллиарда лет назад. Это намного раньше Великого окислительного события.

Жизнь освоила оба металла одновременно, а не последовательно. Возникает вопрос: где же ранние микробы находили молибден, если в океанской воде его почти не было? Ответ дала предыдущая работа ученых: локальные гидротермальные источники на дне океана служили естественными концентраторами редких металлов, включая молибден, вольфрам, цинк, медь и никель. Даже при общей скудности элемента в масштабах планеты, в таких геохимических «оазисах» его было достаточно для биологических нужд.

Почему же жизнь, имея выбор среди многих металлов, остановилась именно на молибдене? По мнению исследователей, его каталитическая универсальность перевесила проблему доступности. Молибден эффективно ускоряет реакции в широком диапазоне окислительно-восстановительных условий и с разными субстратами, что давало эволюционное преимущество. Организмы выработали механизмы добычи и утилизации этого металла, несмотря на его редкость.

Этот вывод важен не только для понимания земной истории, но и для астробиологии. Поиски внеземной жизни не должны ограничиваться точной копией современной Земли. Планеты с иной историей окисления атмосферы и иным набором доступных металлов могут поддерживать биохимические стратегии, отличные от привычных нам. Исследование показывает, что жизнь способна использовать то, что есть, даже если этого «очень мало», если каталитические выгоды достаточно велики.

В результате работа доказывает, что использование молибдена древней жизнью началось более чем на полтора миллиарда лет раньше, чем предполагали многие модели, и не было следствием Великого окислительного события. Несмотря на крайнюю редкость этого металла в архейских океанах, микроорганизмы находили его в локальных нишах вроде гидротермальных источников и активно использовали благодаря исключительным каталитическим свойствам молибдена.

Это открытие меняет представления об эволюции метаболизма на ранней Земле и подсказывает астробиологам, что при поиске жизни на других планетах нужно учитывать не только химический состав среды, но и эволюционно закрепленные предпочтения организмов к тем или иным металлам.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях