на каком этапе возникновения жизни образовались органические соединения
Современные гипотезы о возникновении жизни
Вопрос 1. Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений?
На ранних этапах развития Земли органические соединения образовывались из неорганических абиогенным путем. Источником энергии для этих процессов служило ультрафиолетовое излучение Солнца. В атмосфере не существовало ни озона, ни кислорода, поэтому ультрафиолет ничем не задерживался и достигал поверхности планеты. Под его воздействием, а также при участии электрических грозовых разрядов из воды и газов образовывались простейшие органические вещества: формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина и др.
Вопрос 2. Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.
Согласно теории биопоэза, сформулированной в 1947 г. английским физиком и историком науки Джоном Берналом (1901—1971), можно выделить три стадии возникновения жизни:
1) абиогенный синтез и накопление органических мономеров (формирование «первичного бульона»);
2) образование биологических полимеров и коацерватов (от лат. coacervus — сгусток);
3) формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов).
Основное место протекания всех этих процессов — древний океан.
Вопрос 3. Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты?
Образование коацерватов было бы невозможно без взаимодействия органических веществ друг с другом и с неорганическими соединениями. В результате такого взаимодействия из жирных кислот и спиртов образовались липиды, из аминокислот — пептиды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов, а белки — растворенные в воде полимерные комплексы. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества. В результате этого внутренний состав коацервата претерпевал изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т. е. к росту и к изменению химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли. Судьба капли определялась преобладанием одного из указанных процессов. Академик А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь такие, которые обеспечивали им устойчивость, а также способность выделять наружу продукты обмена. Постепенно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т. е. приобрели свойство самовоспроизведения. Коацерваты обладали некоторыми признаками живого, но для превращений их в первые живые организмы не хватало биологических мембран. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны, отделяющей их от окружающей среды и состоящей из фосфолипидов.
Вопрос 4. Расскажите, как возникли пробионты.
Мембраны пробионтов могли образовываться из липидных пленок на поверхности водоемов, к которым присоединялись плавающие в воде коацерваты. Для эволюции жизни были важны те коацерваты, которые содержали не только белок, но и нуклеиновые кислоты. Из их комплексов с липидами можно считать живыми организмами лишь те, которые оказлись способны к самовоспроизведению нуклеиновых кислот. Так возникли пробионты — примитивные гетеротрофы, живущие за счет органических веществ абиогенного происхождения («первичного бульона»). На этом этапе закончилась химическая и началась биологическая эволюция.
Вопрос 5. Опишите, как могло происходить усложнение внутреннего строения первых гетеротрофов.
Постепенно количество органических веществ абиогенного происхождения стало уменьшаться. Это привело к жесткой конкуренции между пробионтами, которая ускорила возникновение автотрофов, использующих для создания органики энергию солнечного света. Первые автотрофы использовали бескислородный путь фотосинтеза. Позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Следствием накопления кислорода в атмосфере стало, во-первых, возникновение аэробных организмов, во-вторых, формирование защитного озонового слоя.
Параллельно происходило усложнение внутреннего строения клеток, которое в итоге привело к появлению эукариотов. Некоторые гетеротрофы вступали в симбиоз с аэробными бактериями, захватывая их и используя в качестве «энергетических станций» — будущих митохондрий. Такие симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы, помимо аэробных бактерий, захватывали и автотрофов-цианобактерий, которые стали хлоропластами. Так появились предшественники растений.
Вопрос 6. Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?
Самозарождение жизни на Земле в настоящее время невозможно, поскольку в условиях современной богатой кислородом атмосферы органические соединения быстро разрушаются, не накапливаются и не достигают должной степени сложности. Кроме того, появления коацерватов и пробионтов не происходит из-за огромного количества гетеротрофов, очень быстро «поедающих» любое скопление органических веществ.
Основные этапы развития жизни на земле
Урок 30. Общая биология 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока “Основные этапы развития жизни на земле”
Большинство учёных склоняются к гипотезе биохимической эволюции. Ее основы заложили русский учёный Александр Иванович Опарин и англичанин Джон Холдейн.
Сторонники гипотезы биохимической эволюции полагают, что жизнь возникла в результате процессов, которые подчиняются химическим и физическим законам природы.
Гипотеза биохимической эволюции легла в основу современных представлений о возникновении жизни.
На основе гипотезы биохимической эволюции Опарина — Холдейна в 1947 году английский исследователь Джон Бернал сформулировал современную теорию возникновения жизни на Земле, названную теорией биопоэза.
Данная теория основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем и к биологической эволюции. То есть основана на трёх эволюционных этапах.
1-й. Химический этап возникновения жизни на Земле. Абиогенное возникновение органических мономеров.
2-й. Биохимический этап. Образование биологических полимеров.
И 3-й этап. Биологический. Формирование мембранных структур и первичных организмов.
На первом этапе древняя атмосфера Земли была насыщена вулканическими газами, в состав которых входили оксиды серы, азота, аммиак, оксиды и диоксид углерода, пары воды и ряд других веществ.
Активная вулканическая деятельность, сопровождавшаяся сильными и частыми электрическими разрядами вовремя практически не прекращающихся гроз, а также ультрафиолетового излучения способствовали образованию органических соединений.
Древняя атмосфера не содержала свободного кислорода, поэтому органические соединения не окислялись и могли накапливаться в тёплых и даже кипящих водах различных водоёмов, постепенно усложняться по строению, формируя так называемый «первичный бульон».
Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет.
Итак, на первом химическом этапе образовались органические соединения ― мономеры. Предположительно аминокислоты.
Этот факт доказывает экспериментальнoе исследование американского учёного Стенли Миллера, который провёл эксперимент, моделирующий гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.
На втором этапе возникновения жизни на Земле протекали реакции полимеризации, которые могли активизироваться при значительном увеличении концентрации раствора (пересыхание водоёма) и даже во влажном песке.
Из мономеров (аминокислот) формировались полимеры ― белковые вещества макромолекулы.
Образование белково-нуклеиново-липоидных комплексов и есть второй этап — биохимическая эволюция. Благодаря реакциям полимеризации образовывались сгустки, называемые коацерватными каплями.
Коацерваты, которые были способны к примитивному обмену и росту, в ходе дальнейшей эволюции превратились в пробионты ― предшественников живых организмов.
Благодаря наличию белков и, нуклеиновых кислот пробионты были способны передавать наследственную информацию.
Такие пробионты с маточной наследственностью, может быть, множились. Пробионты, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки.
И именно возникновение наследственности представляло собой переход от химической эволюции к биологической.
3й ― Биологический этап эволюции.
В результате предбиологического естественного отбора появились первые примитивные живые организмы, которые вступили в биологический естественный отбор и дали начало всему органическому миру на Земле. Жизнь, очевидно, развивалась в водной среде на некоторой глубине, так как единственной защитой от ультрафиолетового излучения была вода.
Предполагалось, что первые примитивные организмы уже на первых этапах развития различались по способу питания. Такое различие обуславливалось недостатком питательных веществ.
Некоторые из примитивных организмов питались абиогенными органическими веществами первичного бульона и энергию получали путём их сбраживания. Учёные считают, что это были первичные прокариоты (бактерии, например), то есть организмы, клетки которых не имеют оформленного, ограниченного мембраной ядра. А по способу питания они являлись анаэробными гетеротрофами.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях обострилась конкуренция между древними прокариотами, которая, с одной стороны, способствовала усложнению их строения, с другой — привела к появлению новых способов получения энергии для жизненных процессов.
Некоторые первичные организмы из-за нехватки органических соединений стали использовать энергию солнечного света, перешли к автотрофному способу питания.
То есть появились организмы, которые для жизнедеятельности стали использовали неорганические вещества и синтезировать органические за счёт реакций окисления и восстановления.
Такие автотрофные организмы получили значительные преимущества в конкурентной борьбе.
Из-за фотосинтеза в атмосфере начал накапливаться кислород, благодаря чему в ходе эволюции появились предпосылки для нового, более эффективного способа получения энергии ― дыхания, отличающегося от гликолиза и брожения значительно большим выходом энергии.
Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволила организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.
Итак, произошло формирование прокариотических клеток. Это клетки, которые не имеют ядра. В отличие от эукариотической клетки, у прокариот нет и других мембранных органоидов: эндоплазматической сети, комплакса Гольжди, митохондрий, пластид и лизосом.
Гипотезы происхождения эукариот
Большинство учёных считают, что эукариоты произошли от прокариотических клеток. Существует две наиболее признанные гипотезы происхождения эукариотических клеток и их органоидов.
Итак, по одной из гипотез образование органоидов эукариотической клетки произошло путём выпячивания клеточной мембраны. В результате внутри клетки образовывалось что-то вроде шариков, окружённых мембраной и содержащих внутри цитоплазму с захваченными соединениями и структурами. В зависимости от того, что попало внутрь, сформировались разные органоиды.
Эта гипотеза объясняет наличие 2 мембран в оболочке ядра, митохондрий и хлоропластов. Она встречается с трудностями в объяснении различий в деталях процесса биосинтеза белка в корпускулярных органеллах и цитоплазме эукариотической клетки.
Однако на сегодняшний день в научном мире основной гипотезой происхождения эукариот признается симбиогенез.
Исходя из неё, эукариотическая клетка возникла путём симбиоза ― сожительства различных существ.
То есть путём столкновения первичной клетки и органоидов, которые сформировались отдельно от неё. Другими словами, согласно этой гипотезе хлоропласты и митохондрии, были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками, а органоидами они стали в процессе симбиоза.
Доказательствами теории симбиогенеза служат существующие простейшие (одноклеточные эукариотические организмы), у которых нет митохондрий или хлоропластов. Зато вместо них в цитоплазме поселяются прокариоты-симбионты, выполняющие соответствующие функции.
Этот факт, а также схожесть системы биосинтеза белка митохондрий и пластид с прокариотами рассматриваются как доказательства симбиогенеза.
Доказательством также служит то, что митохондрии и хлоропласты размножаются самостоятельно, они никогда не строятся клеткой с нуля.
Действительно, хлоропласты и митохондрии современных клеток имеют собственную ДНК и способны воспроизводиться. В отличие от линейных молекул, хлоропластная ДНК и митоходриальная ДНК представляют собой замкнутую кольцевую двуспиральную молекулу.
По строению РНК митохондрий сходны с РНК пурпурных бактерий, а РНК хлоропластов сходны с РНК цианобактерий.
Ещё одна гипотеза происхождения эукариотических клеток ― гипотеза прогинота (прародителя)
Согласно этой гипотезе, от общего гипотетического предка, получившего название “прогенот”, эволюционировали три различные ветви прокариот: эукариоты, эубактерии и архебактерии.
К такому заключению учёные пришли, сравнивая последовательность нуклеотидов в рибосомных РНК. Поскольку генетический код во всех трёх группах один и тот же, была выдвинута гипотеза, что они имеют общего предка.
Предполагается, что эубактерии и архебактерии могли произойти от прогенота.
А современный тип эукариотической клетки, по-видимому, возник в результате симбиоза древнего эукариота (тоже произошедшего от прогенота) с эубактериями.
Однако, каким бы путём ни возникла клетка, важным ароморфозом её эволюции было обособление ядра. Именно появление клетки с ядром и цитоплазмой привело к мощному ускорению биологической эволюции.
Существует четыре гипотезы, объясняющие появление ядерной оболочки:
1. гипотеза впячивания клеточной мембраны;
2. эндоспоровая гипотеза;
3. симбиотическая гипотеза;
4. гипотеза слияния клеточных выростов.
Поскольку все перечисленные гипотезы имеют сильные и слабые стороны, а также во многом не исключают положения друг друга, то, на наш взгляд, в происхождении структур эукариотических клеток могло сыграть роль сочетание множества факторов, описываемых разными гипотезами.
Итак, химическая эволюция за три с половиной миллиарда лет привела лишь к образованию многомолекулярных систем.
А биологическая эволюция всего за полтора миллиарда лет породила не только многообразный мир современных флоры и фауны, но и высший продукт материи ― мыслящего человека.
Искра жизни: теория зарождения первой органики
Жизнь человека по меркам Вселенной — всего лишь мгновение, а по меркам мухи-однодневки — целая вечность. Для нас же оценка продолжительности нашего собственного жизненного пути осложнена событиями, которые происходят в процессе, людьми, которых мы встречаем и с которыми расстаемся, эмоциями, которые испытываем. Ведь чем сложнее мозг существа, тем сложнее его самосознание. Однако любой путь определяется не только его насыщенностью, но и фактом того, что он рано или поздно заканчивается. Люди многие века пытаются ответить на вопрос, что лежит за гранью жизни, и четкого безапелляционного ответа нет ни у кого. Тем не менее «до» остается не менее таинственным и загадочным, чем «после». Ученые из Американского музея естественной истории (Нью-Йорк, США) провели исследование, в котором описывается возможный вариант зарождения органических молекул миллиарды лет тому назад. Что могло послужить началом жизни на планете, где это произошло, и как эти знания могут помочь в понимание нашего мира здесь и сейчас? Ответы на эти вопросы сокрыты в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Как уже было сказано ранее, достоверно неизвестно, что ждет человека или любой другой живой организм после того, как его тело теряет жизнеспособность. Этим вопросом задаются физики, биологи, теологи и философы. У все у них есть ответы, каждый из которых имеет право на существование, однако это лишь теории, которые эмпирически подтвердить по понятным причинам пока никому не удавалось.
Что касается того, что было до начала всего, то этот вопрос такой же сложный и неоднозначный. Теория большого взрыва подарила нам идею зарождения Вселенной, но остаются вопросы касательного того, что было до него. Эволюционная теория Дарвина помогла понять как между собой взаимосвязаны виды на нашей планете, как они эволюционировали, как одно преобразовалось в другое. Но и тут возникают вопросы: что или кто был первым, почему жизнь зародилась, при каких обстоятельствах, случайно ли было это событие или это чей-то великий замысел. Вопросы на века, не иначе.
Тем не менее, знания, которыми обладает современный человек, могут послужить инструментом в построении цепочки событий, которые привели к зарождению жизни. Нам известно, что основополагающими элементами в зарождении и поддержании жизни являются водород, азот и кислород. В современной жизни большинство органических молекул образуются в результате восстановления углекислого газа (CO2) посредством нескольких путей «фиксации углерода» (например, фотосинтез в растениях). Но большинство этих путей либо требует энергии от клетки, либо они появились относительно поздно. Возникает вопрос — что было до этого?
По мнению ученых одним из путей образования органики могло быть восстановление CO2 с помощью H2. Геологические исследования показывают, что СО2 находился в относительно высоких концентрациях в океане во время катархея*, тогда как H2 был продуктом множественных процессов в земной коре и выделялся наружу за счет гидротермальных источников.
Катархей* — геологический эон (период времени), продлившийся первые 600 миллионов лет существования Земли.
Следовательно, на стыке двух сред (океана и Земной коры) между двумя растворенными газами возникала реакция, которая приводила к образованию углеводородов, сыгравших в последствии важную роль в переходе от геохимии к биохимии.
Изображение №1
С помощью минералов Fe(Ni)S, осажденных на интерфейсе между океаном и корой, градиента pH более трех единиц должно было быть достаточно для увеличения жизнеспособности реакции на
180 мВ, что делает ее благоприятной для образования органики.
После образования формиат обладал бы достаточным абиотическим химическим потенциалом. К примеру, известно, что формильные группы образуют промежуточные соединения восстановительного цикла трикарбоновых кислот* и восстановительного Ацетил-КоА пути*, предполагая возможный путь развития биологического метаболизма.
Восстановительный цикл трикарбоновых кислот* — череда химических реакций синтеза органики из диоксида углерода и воды.
Восстановительный Ацетил-КоА путь (путь Вуда-Льюнгдаля или WL-путь)* — цепочка биохимических реакций, необходимых для фиксации СО2 и для получения энергии.
Другая теория предполагает, что при нагревании в присутствии аммиака, который также является предполагаемым компонентом щелочных вод, из формиата образуется формамид [HC(O)NH2] — высокореакционная молекула, являющаяся краеугольным камнем одной из теорий возникновения жизни (Formamide and the origin of life). Дальнейшая реакция этой смеси дает цианистый водород (HCN), который также является основой еще одной теории образования органики (Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism). В свою очередь, дегидратация формиата приводит к образованию монооксида углерода (CO) (Activated Acetic Acid by Carbon Fixation on (Fe,Ni)S Under Primordial Conditions). Как видно, теорий происхождения органических соединений немало, и каждая из них имеет вполне логичные объяснения.
Несмотря на то, что на ранней Земле существовало несколько источников восстановленного углерода и множество вероятных сред, в которых могли бы находиться богатые химические вещества, описанный выше щелочной гидротермальный сценарий куда более интересен для ученых ввиду его сходства с WL-путем фиксации углерода.
Дополнительным аргументом в пользу потенциальной значимости щелочного гидротермального сценария образования органики является факт того, что WL-процесс это единственный из шести известных биологических путей фиксации углерода, который высвобождает энергию в целом, а не потребляет ее, а его вариации присутствуют у существующих представителей обеих архей (метаногены*) и бактерии (ацетогены*).
Ацетогены* — бактерии, которые выделяют ацетат (CH3COO – ) в качестве конечного продукта анаэробного дыхания или гомоацетатного брожения.
Первым шагом на этом пути является восстановление CO2 с помощью H2 с образованием формиата (HCOO – или его дегидратированный электронный эквивалент, т.е. CO).
Эта реакция носит эндергонический* характер, поэтому некоторые представители как архей, так и бактерий используют либо бифуркацию электронов*, либо хемиосмос* через клеточную мембрану, чтобы привести в действие это процесс.
Эндергонические реакции* — химические реакции, требующие энергии извне для их протекания.
Бифуркация электронов* — механизм разделения электронов в окислительно-восстановительной реакции.
Хемиосмос* — преобразование энергии цепи переноса электронов в энергию АТФ (аденозинтрифосфат).
Однако в отсутствие механизмов клеточного объединения, таких как бифуркация электронов или хемиосмос, эта первая эндергоническая стадия является ключевым энергетическим узким местом в WL-пути и остается главным открытым вопросом в исследованиях происхождения биологической фиксации углерода.
В данном исследовании ученые демонстрируют абиотическое косвенное восстановление CO2 до HCOO – с помощью H2, вызванное микрофлюидным градиентом pH в осадках Fe(Ni)S, посредством механизма, который напоминает поток разделенных электронов пути WL.
Результаты исследования
В первую очередь был подготовлен лабораторный эквивалент щелочной гидротермальной среды с имитацией интерфейса между корой Земли и водами океана. Щелочная составляющая включала в себя Na2S (100 мМ), K2HPO4 (10 мМ) и Na2Si3O7 (10 мМ) в деаэрированной воде. Аналог океана включал в себя FeCl2 (50 мМ) и NiCl2 (5 мМ). Обе жидкости были подведены к Y-образному боросиликатному микрофлюидному реактору (1B).
Окружающее давление H2 и CO2 оказалось недостаточным для сокращения выбросов CO2, поэтому вместо попытки растворения любого газа путем барботирования* перед реакцией было решено использовать микрожидкостные насосы, работающие от давления газа.
Барботирование (барботаж)* — процесс пропускания газа через слой жидкости.
Щелочная жидкость вытеснялась H2 при давлении 1.5 бар, а аналог океана выталкивали CO2 при том же давлении.
Каждый цикл реактора был разделен на две последовательные стадии: первая — для осаждения осадков Fe(Ni)S на стыке (на интерфейсе) двух жидкостей; вторая («постосаждение») — для попытки создания реакции между CO2 и H2 (или других реагентов).
В результате взаимодействия щелочной жидкости и океанического аналога в течение 15-60 секунд на стадии выпадения осадков образовался осадок шириной от 30 до 60 мкм на интерфейсе между двух жидкостей, видимый под цифровым оптическим микроскопом (в центре на 1В). Удаление металлов со стороны аналога океана после выпадения осадков предотвратило увеличение осадка до критического значения перекрытия канала реактора.
После образования осадка и для предотвращения засорения микрофлюидных каналов дальнейшим осаждением на второй стадии океаническая жидкость была переключена на чистую деаэрированную воду, вытесненную CO2 (справа на 1B). При этом аналог щелочной жидкости оставался прежним с Na2S, K2HPO4 и Na2Si3O7, выталкиваемыми H2.
Далее был определен уровень pH поступающих жидкостей в точке входа: аналог океана — pH 3.9, щелочные воды — pH 12.3. При скорости потока 5 мкл/мин для каждого входа время пребывания жидкостей в центральном канале составляло
3.3 с, поэтому системе было позволено работать не менее 2 минут перед сбором выходных данных. Далее был собран общий выход реактора (смесь жидкостей), который был проанализирован с помощью ЯМР-спектроскопии. Анализ показал, что среднее значение концентрации HCOO – составило 1.5 мкМ.
Таблица №1: результаты экспериментов.
Изображение №2
Синглетные пики в спектрах 1 H ЯМР (8.42 ppm (частей на миллион); 2A) и 13 C ЯМР (165.8 ppm) соответствуют образцам чистой (> 98%) муравьиной кислоты. Выполнение стадий осаждения и реакции с изотопно обогащенным (99% 13 C) 13CO2 (эксперимент 2) дало более сильный синглет в спектре 13 C (165.8 ppm; 2B) и ожидаемое расщепление синглета формила на дублет (сигнал, расщепленный на два пика) в спектре 1 H (J = 195 Гц) за счет взаимодействия 1 H – 13 C в формильной группе (2С).
Как оказалось, H2 необходим для сокращения выбросов CO2. С жидкостью на стороне выпускного отверстия, управляемой N2 вместо H2 (т.е. в отсутствии H2 как во время, так и после осаждения), продуктов восстановления не было обнаружено (эксперимент 3; 2E и 2F).
Для более детального понимания происходящего процесса были выполнены дополнительные эксперименты по маркировке дейтерием ( 2 H или D) (эксперименты 4 и 5), используя изотопные варианты на протяжении всех экспериментов.
Независимо от того, использовался ли немаркированный H2 (эксперимент 1) или D2 (эксперимент 4) для управления насосом на стороне щелочной жидкости, наблюдались исключительно неизотопно отмеченный HCOO – в жидкостном выходе. Это наблюдение позволяет предположить, что сокращение выбросов CO2 может происходить исключительно на стороне океана.
И наоборот, с D2O, используемым вместо обычного H2O на стороне океана, и с немаркированным H2, приводящим в действие насос на стороне щелочной жидкости (эксперимент 5), был обнаружен исключительно дейтерированный формиат (DCOO – ), о чем свидетельствует триплет в 13 C ЯМР (J = 33 Гц) и отсутствие каких-либо других заметных пиков (2D). Это дополнительно подтверждает, что сокращение CO2 соответствует изотопному составу на стороне океана, а не на стороне земной коры.
На следующем этапе исследования была проверена роль градиента pH моделируемой подводной щелочной гидротермальной системы. Успешные сокращения CO2, представленные в таблице 1, происходили при pH аналога океана 3.9 и pH аналога сброса 12.3.
При смешивании этот начальный ΔpH, равный 8.4 единиц, неизбежно снизился бы, но градиенты pH, составляющие несколько единиц, успешно сохраняются с течением времени в микрожидкостных масштабах, особенно в присутствии осадка на интерфейсе.
Необходимо было понять, требуется ли такой градиент pH в системе восстановления для облегчения окисления H2 на щелочной стороне и восстановления CO2 на кислотной стороне (1A). После осаждения в тех же условиях, что и для эксперимента 1, оценивались эффекты различных уровней pH и состава каждой из двух жидкостей (таблица №2). Замена имитатора щелочного источника чистым H2O, управляемым H2, не дала результата (таблица 2, эксперимент 6).
Таблица №2: результаты экспериментов с различным значением рН.
Аналогичным образом, подкисление жидкости аналога щелочного источника с помощью HCl до pH 3.9 и pH 7.0 не привело к образованию формиата (эксперименты 7 и 8).
Добавление 100 мМ Na2CO3 в океаническую жидкость при одновременном использовании CO2 в качестве движущего газа (эксперимент 9) повысило pH океана до 9.8, и в этих условиях продукт не был обнаружен. Удаление силиката со стороны источника после осаждения все еще давало формиат (эксперимент 10), как и удаление силиката и фосфата при наличии только Na2S (эксперимент 11).
Имея только K2HPO4 после осаждения на стороне щелочного источника, были обнаружены лишь остаточные количества формиата (ниже предела количественного определения в 0.37 мкМ), возможно, из-за недостаточно щелочного pH 9.1 (эксперимент 12). А вот более щелочной K3PO4 повысил pH до 12.1 и привел к образованию значительно большего количества формиата (эксперимент 13).
Ученые заявляют, что не могут полностью исключить вероятность того, что связанный с осадком сульфид действует как восстановитель в дополнение к H2. Однако вышеописанные результаты одновременно подтверждают роль градиента pH и показывают, что непрерывная подача водного сульфида в системе не требуется.
Удаление Ni из осадочной жидкости океана (эксперимент 14) привело к образованию лишь небольшого количества формиата. И наоборот, замена Fe, чтобы оставить Ni в качестве единственного металла в осадочной жидкости океана (NiCl2, 55 мМ; эксперимент 15), дало 1.4 мкМ формиата, что указывает на решающую роль Ni в составе осадков.
Удаление FeCl2 и NiCl2 из океанической жидкости, как и ожидалось, не привело к образованию определяемого формиата и осадка (эксперимент 16).
Самым подходящим объяснением происходящего ученые считают именно электрохимический процесс (1А), однако существует несколько альтернативных механизмов сокращения выбросов CO2, связанных с окислением H2, которые при этом менее вероятны.
Один из таких механизмов можно назвать самым «простым», но и наименее биохимически гомологичным — восстановление углерода за счет прямого гидрирования (3А–3С). В таком варианте водород из H2 будет передаваться непосредственно в CO2 либо в виде атомарного водорода (классическое гидрирование) или в виде гидрида (ионное гидрирование).
Изображение №3
Другими словами, выходной продукт в таком механизме должен соответствовать изотопной сигнатуре выделяемого газа H2/D2. Вместо этого произведенный в таком случае формиат соответствует только изотопному составу воды на стороне океана, независимо от состава газа или воды на стороне гидротермального источника.
В механизмах прямого гидрирования адсорбированные частицы водорода могут обмениваться с окружающей жидкостью, так что исходная изотопная сигнатура теряется. Однако любой такой процесс подразумевает миграцию значительного количества жидкости через осадок. Существенное перемешивание жидкостей должно было вызвать смешанный сигнал H/D формила, которого в ходе практических опытов не наблюдалось, полностью исключая гидрирование.
Другой возможный вариант заключается в том, что атомы водорода в образующемся формиате могут не происходить непосредственно из H2. Вместо этого механизм может осуществляться посредством окислительно-восстановительного цикла краевого или углового атома Fe или Ni (M 2+ ⇄ M 0 ), при котором металл сначала восстанавливается H2 (оставляя два протона для разбавления), а затем металл переносит приобретенные электроны на СО2 с сопутствующим отрывом протонов из локальной водной среды (3C–3E).
Однако такой вариант развития событий сложно сопоставим с реальными показателями рН, которые были во время опытов. Уровень рН в 3.9 достигался исключительно за счет растворения CO2 в воде. Таким образом, любые протоны со стороны океана должны происходить в результате диссоциации угольной кислоты посредством:
Сценариев такого локализованного окислительно-восстановительного цикла (3D и 3E) может быть несколько, но поскольку все они требуют совместного размещения ни один из них не может предложить изотопную сигнатуру исключительно на стороне океана, которая наблюдалась во время экспериментов.
В совокупности с сильной зависимостью реакции от уровня рН эти результаты говорят о том, что восстановление СО2 происходит посредством электрохимического механизма, в котором электроны от окисления H2 на стороне щелочного источника перемещаются через осадки Fe(Ni)S в сторону CO2 на стороне океана (1A).
Вышеописанные процессы не могли бы протекать, если бы не было какого-то механизма, позволяющего активировать и поддерживать взаимодействие между океанической водой и щелочным гидротермальным источником. Кроме того возникает вопрос и касательно «живучести» сформировавшихся органических соединений, так как они могли бы попросту раствориться в океанической воде до того, как примут какую-либо биохимическую роль.
Ответом на первый вопрос может быть эффект Вентури*, вызванный повышенной пористостью структуры гидротермальных жерл. Оказавшись внутри жерла, углекислые воды океана могут вступить в реакцию с электронами, переносящимися через каталитические минералы канала гидротермального источника, а новые осадки также могут возникать и дальше по времени, когда две жидкости вступают в контакт.
Эффект Вентури* — падение давления, когда поток жидкости или газа протекает через суженную часть трубы.
Моделирование данной теории показало, что в случае экспериментального реактора шириной 300 мкм действительно происходит микрожидкостное слияние двух реагентов, что и было показано в ходе практических опытов.
Ученые также отмечают, что такой эффект не ограничивается подводными щелочными жерлами и, вероятно, будет происходить в пористых гидротермальных системах в любом месте и на любой глубине, что дает возможность множеству геохимических сценариев возникновения жизни.
Стоит отметить, что микрожидкостная система восстановления СО2 с помощью H2 не является единственной. Существует также и методика, где используется одноканальная периодическая система.
Важность периодической системы заключается в том, что ее результаты подтверждают работоспособность микрожидкостной системы. Таким образом подтверждается и теория касательно существования органических веществ в условиях бескислородных щелочных гидротермальных источников.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Все, что имеет начало, имеет и конец. Эти слова, сказанные Пифией из х/ф «Матрица», в той или иной интерпретации говорились реальными философами и учеными задолго до выхода этой кинокартины. Помимо этого, из курса школьной химии вспоминается один из основоположных принципов науки — ничто никуда не девается и ниоткуда не берется бесследно. С тем, что будет в конце, а точнее после него, разбираться человечеству придется еще очень долго. Но вот какое-то понимание того, что было в начале, уже есть.
В данном исследовании ученые описали возможный вариант формирования первых органических соединений. По их мнению этот процесс протекал на стыке океанических вод и гидротермальных источников. В ходе экспериментов удалось преобразовать СО2 в органические молекулы посредством H2 и управляемого рН.
Такой результат не только объясняет исток жизни на нашей планете, но и может быть использован в разработке инструментов для снижения выбросов CO2, что является весьма удручающей проблемой современного мира. Помимо прочего, понимание того, как органика появилась на Земле, позволяет строить более рентабельные теории о возможном наличии оной на других планетах, подобных нашей.
Если же переключиться на более философскую волну, то можно с уверенностью сказать, что данный труд демонстрирует важность понимания прошлого для успешного формирования будущего. История полнится исследованиями, которые современники называли праздным любопытством и пустой тратой времени. Подавляющее большинство из них оказались гораздо важнее, чем кто-либо мог предположить. Вывод прост: в науке искать ответы нужно на все вопросы, какими бы глупыми на первый взгляд они ни казались.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂