Связь между Луной и возникновением жизни на Земле

Сотрудники МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследование, в котором выявили возможную связь между образованием Луны и возникновением жизни на Земле. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Life. Ученые сосредоточились на анализе геохимических и биологических процессов, которые могли способствовать появлению первых живых организмов на нашей планете. Их выводы основаны на изучении состава неорганических компонентов клеток, а также на термодинамическом моделировании процессов, происходивших на ранней Земле.

Одной из ключевых проблем в изучении происхождения жизни является отсутствие геологических свидетельств, связанных с тектонической активностью Земли, которая уничтожила древние породы. Поэтому ученые вынуждены реконструировать условия возникновения жизни, опираясь на общие свойства всех живых организмов.

Ранее группа исследователей, включая профессора факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Армена Мулкиджаняна, старшего научного сотрудника НИИ ФХБ МГУ Дарью Диброву и заведующего кафедрой геохимии геологического факультета МГУ Андрея Бычкова, обнаружила, что химический состав неорганических компонентов клеток близок к составу геотермального пара. Это позволило предположить, что первые клетки могли возникнуть на геотермальных полях, где конденсировался пар, выделяемый термальными источниками вокруг древних вулканов.

Однако эта гипотеза не объясняла, почему самые древние белки, общие для всех клеточных организмов, используют в качестве кофакторов почти исключительно ионы цинка, а не ионы железа. Такая избирательность указывала на то, что первые клетки возникли в среде, богатой цинком, но бедной железом. Это противоречило известным данным о составе земных пород, где железа содержится в тысячу раз больше, чем цинка. Ученые обратили внимание на то, что лунные породы содержат в сто раз меньше цинка, чем земные, и предположили, что это связано с процессом образования Луны.

Согласно современным представлениям, Луна образовалась в результате столкновения прото-Земли с другой планетой. Это столкновение привело к формированию горячего пост-импактного диска с температурой свыше 10 000 °C. В процессе остывания диска летучие элементы, такие как цинк, калий, натрий и медь, оставались в газообразном состоянии и выпадали на затвердевшую земную протокору по мере остывания диска. Расчеты и термодинамическое моделирование, проведенные учеными, показали, что цинк, как наиболее летучий металл, выпадал на поверхность Земли последним, в основном в виде силикатно-цинкового дождя, когда температура диска снизилась до примерно 1000 °C. Это привело к обогащению земной коры цинком.

Затвердевание земной мантии после образования Луны сопровождалось высвобождением летучих соединений, таких как CO₂, вода, азот и сера, которые поднимались к поверхности в виде флюидов. Прохождение гидротермальных потоков через протокору, богатую цинком и радиоактивным калием, способствовало восстановлению CO₂ и азота, что привело к активному образованию органических соединений. В зонах геотермальных полей с температурой 300-400 °C окисление металлического цинка флюидами создавало термодинамически выгодные условия для синтеза органических молекул.

При этом цинк восстанавливал ионы железа до металлического состояния, а сам окислялся до ионов цинка, которые выносились на поверхность геотермальным паром. Эти ионы цинка могли связываться с первыми биополимерами, способствуя их стабилизации и защите от радиации и ультрафиолетового излучения Солнца.

Таким образом, ученые пришли к выводу, что жизнь, вероятно, возникла в водоемах из геотермального парового конденсата вскоре после образования Луны, примерно 4.5–4.1 миллиарда лет назад. В этот период металлический цинк в земной коре еще не успел полностью окислиться, что создавало благоприятные условия для формирования первых биополимеров. Зависимость древних белков от ионов цинка и отсутствие железа в активной форме могли быть ключевыми факторами, способствовавшими возникновению жизни. Интересно, что процесс «цинкования», известный как защита металлов от коррозии, имеет синоним — «гальванизация», что также означает «оживление». Это символично подчеркивает роль цинка в зарождении жизни на Земле.

Исследование сотрудников МГУ не только проливает свет на возможные условия возникновения жизни, но и подчеркивает важность взаимодействия геохимических и биологических процессов в формировании первых живых организмов. Работа также демонстрирует, как космические события, такие как образование Луны, могли повлиять на химический состав Земли и создать условия, необходимые для появления жизни.