Забываем про «первичный бульон»? Могли ли большие содовые озера «запустить» жизнь на Земле?

25 мар 2025, 22:07

Мы все состоим из «звездной пыли», как поэтично говорят. Но если чуть конкретнее, то жизнь, какой мы её знаем, построена на нескольких ключевых химических элементах. Углерод, азот… и, конечно, фосфор. Без него не было бы ни нашей ДНК, ни РНК — молекул, хранящих и передающих генетическую информацию. Да и энергия в клетках (та самая АТФ) без фосфора — никуда. Короче говоря, фосфор — парень незаменимый.

И вот тут начинается самое интересное. Для того чтобы запустились сложнейшие химические реакции, которые предшествовали появлению первых живых организмов (это называется пребиотическая химия), фосфора нужно было много. Прямо очень много. Но вот незадача: на поверхности Земли фосфор — элемент довольно редкий. И так было всегда, и миллиарды лет назад тоже.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Звучит как парадокс, правда? Жизни фосфор отчаянно нужен, причём в больших количествах, а его вокруг — кот наплакал. Как же так вышло, что жизнь всё-таки смогла «раздобыть» этот дефицитный ресурс на заре своего становления? Ученые долго ломали голову над этим вопросом.

Где же искать ответ? Возможно, на дне древних озер…

Недавно группа исследователей, включая Крейга Уолтона из швейцарского Центра происхождения и распространенности жизни, предложила довольно изящное объяснение. Что, если ключ к разгадке — это особый тип водоемов, так называемые содовые озера?

Что это за звери такие? Представьте себе озеро, у которого нет стока — то есть реки из него не вытекают. Вода поступает (например, с реками или дождями), а уходит только одним путем — испаряясь. Когда вода испаряется, все растворенные в ней минералы, включая соединения фосфора, остаются. Год за годом, век за веком… концентрация этих веществ растет.

Гидрология играет большую роль в определении доступности и устойчивости P. (A) Большие и глубокие закрытые озера, поддерживаемые постоянным притоком, обеспечивают поддержание концентрации P даже при наличии эффективных поглотителей, например, жизни или обширной пребиотической химии. Мелководные постоянные озера могут иметь низкую доступность P и относительно высокую продуктивность, если внутренние поглотители P велики по сравнению с источниками (B), или высокую доступность P и относительно низкую продуктивность, если поглотители P малы по сравнению с источниками (C). Устойчивость стабильного состояния растворенного P в этих озерах низкая, что подтверждается примером озера Гуденоу (19 см. ориг. исследование), в котором высокие концентрации P наблюдаются только при недостатке биологических поглотителей, а сезонные колебания содержания растворенного P очень велики. (D) Чрезвычайно высокая продуктивность наряду с высокими концентрациями Р может быть достигнута в крупнейших озерах с конечным членом, например, в озере Моно, Калифорния. (E) Сезонные озера в процессе испарения концентрируют P до уровней, необходимых для пребиотической химии. Однако затем водоем полностью высыхает. Это может считаться фатальным или благоприятным для пребиотической химии в зависимости от конкретного рассматриваемого пути синтеза. Цитирование: Craig R. Walton et al., Large closed-basin lakes sustainably supplied phosphate during the origins of life.Sci. Adv.11,eadq0027(2025).DOI:10.1126/sciadv.adq0027
Автор: Craig R. Walton et al. Источник: www.science.org

Подумайте сами: обычные озера и моря постоянно «промываются» реками, уносящими минералы в океан. А в бессточном содовом озере всё накапливается, как в закрытой чашке, из которой только испаряется вода. Лабораторные эксперименты показали, что для старта пребиотических процессов нужна концентрация фосфора примерно в 10 000 раз выше, чем в обычной морской или речной воде. Кажется, содовые озера вполне могли бы обеспечить такие условия!

Но есть нюанс: размер имеет значение

Идея про содовые озера как «колыбель жизни» не совсем нова, о ней говорили и раньше. Но команда Уолтона копнула глубже и добавила важное уточнение: не любое содовое озеро подойдет. Маленькие не годятся. Почему?

Представьте небольшое содовое озерцо, где фосфора накопилось достаточно для зарождения примитивной жизни. Как только жизнь появляется, она начинает этот фосфор активно потреблять. А поскольку озеро маленькое, запасы быстро истощаются. Поступление нового фосфора с речной водой просто не успевает за расходом. И всё — и химические реакции затухают, и едва зародившаяся жизнь гибнет. Печалька.

Другое дело — крупные содовые озера. По-настоящему большие! В них объем поступающей воды с растворенным фосфором настолько велик, а общая масса воды так огромна, что даже если жизнь начинает активно потреблять фосфор, его концентрация всё равно остается высокой. Озеро работает как огромный буфер: постоянный приток и накопление за счет испарения компенсируют расход.

Хотите пример? Пожалуйста — озеро Моно в Калифорнии. Это довольно крупное содовое озеро, примерно вдвое больше Цюрихского. И знаете что? Концентрация фосфора там стабильно высокая, что позволяет существовать целой экосистеме разнообразных организмов. Они потребляют фосфор, но его уровень не падает критически, потому что приток и испарение поддерживают баланс.

Более сложные последствия питательного голодания пребиотических химических сетей могут быть предусмотрены в закрытых бассейнах. Здесь мы сравниваем и сопоставляем два различных результата сценария, в котором реакция, сильно зависящая от концентрации P, приводит к образованию молекул, которые начинают поглощать P с высокой эффективностью, то есть не так сильно зависят от концентрации растворенного P. В первом случае это приводит к истощению бассейна в растворенном P и прекращению P-зависимого синтеза их молекул-предшественников. Молекулы, поглощающие Р, начинают уменьшаться в количестве в отсутствие пополнения запасов. Концентрация P снова возрастает, и мы возвращаемся к исходному устойчивому состоянию концентрации P и простой химии. Во втором случае система находит способ продолжать производство альтернативных молекул-предшественников, несмотря на низкую концентрацию P, например, ферментативный катализ (34 см. ориг. исследование). Достигается другое устойчивое состояние с такой же пребиотической продуктивностью, как и в исходном состоянии, но с более низкой концентрацией растворенного P в бассейне. Цитирование: Craig R. Walton et al., Large closed-basin lakes sustainably supplied phosphate during the origins of life.Sci. Adv.11,eadq0027(2025).DOI:10.1126/sciadv.adq0027
Автор: Craig R. Walton et al. Источник: www.science.org

Пересматривая классику: Не лужица, а целое озеро?

Получается интересная картина. Возможно, жизнь зародилась не в какой-нибудь «теплой маленькой лужице», как когда-то предполагал сам Чарльз Дарвин, а в огромном, бурлящем химическими реакциями содовом озере. Геологические условия (бессточный бассейн) и химический баланс (накопление фосфора) могли создать там просто идеальную среду для самых первых, самых робких шагов жизни.

Конечно, это пока лишь теория, еще один фрагмент в гигантской мозаике под названием «происхождение жизни». Остается еще много вопросов. Были ли такие крупные содовые озера на ранней Земле? Как долго они существовали? Но согласитесь, версия элегантная и логичная. Она помогает объяснить тот самый фосфорный парадокс, который так долго не давал покоя ученым.

Так что в следующий раз, когда будете думать о зарождении жизни, представьте себе не маленькую лужу, а огромное, возможно, щелочное озеро, где под древним солнцем медленно накапливались вещества, которым суждено было однажды сложиться в первую живую клетку. Удивительное это было место, должно быть.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник