Водород, или H2, является самым распространенным элементом во всей Вселенной. Ученые давно подозревали, что водород был ключевым источником энергии для самых ранних форм жизни на Земле. Но вопрос был в том, как?
Живым существам нужен способ преобразовывать источники энергии в пригодные для использования формы. Для нашего тела это означает расщепление пищи, чтобы обеспечить энергией все, что мы делаем. Для первых клеток проблемой было выяснить, как использовать водород.
Новые идеи команд из Германии и Азии указывают на удивительно простой ответ. Исследование предполагает, что щелочные гидротермальные источники могут быть недостающим звеном.
Гидротермальные источники и происхождение жизни
Гидротермальные источники – это отверстия на морском дне, откуда выходит геотермально нагретая вода. Их можно найти в местах, где тектонические плиты Земли расходятся или наблюдается вулканическая активность.
Эта горячая, богатая минералами вода, температура которой может достигать 752°F, смешивается с холодной глубоководной водой вокруг нее.
Несмотря на экстремальные условия — огромное давление, обжигающую температуру и отсутствие света — эти жерла изобилуют разнообразными формами жизни.
Ученых постоянно интересует жизнь, процветающая в таких суровых условиях. Они полагают, что эти отверстия могут рассказать о том, как зародилась жизнь на Земле.
Водород в выталкивании электронов
Итак, как же глубоководные существа выживают и даже процветают? Исследование помогает нам понять один из секретов жизни в этих жерлах: получение энергии из газообразного водорода.
Думайте о газообразном водороде как о своего рода топливе для этих микроорганизмов. Но есть одна загвоздка. Чтобы извлечь энергию из водорода, клеткам приходится делать что-то, что, кажется, бросает вызов природе — они должны перемещать электроны в энергетически «вверх» направлении.
«Чтобы собрать энергию, клетки сначала должны энергетически подтолкнуть электроны от H2», — объясняет Макс Брабендер, один из авторов исследования. «Это все равно, что попросить реку течь вверх, а не вниз, поэтому клеткам нужны инженерные решения».
Роль железа в происхождении Земли
В чем секрет такой сложной передачи энергии? Оказывается, главную роль мог сыграть скромный металл – железо.
При щелочном pH этих источников ученые обнаружили, что железо, вырабатываемое в результате естественных процессов в этой среде, может расщеплять водород и направлять несущие энергию электроны в правильном направлении.
Никаких причудливых ферментов или сложных клеточных механизмов не потребовалось!
«Металлы дают ответы», — говорит Мартина Прейнер из Института Макса Планка (MPI). «При зарождении жизни металлы в древних условиях окружающей среды могут посылать электроны из H2 вверх, и мы можем видеть остатки этой первозданной химии, сохранившиеся в биологии современных клеток». Но одних металлов недостаточно.
«H2 также должен создаваться окружающей средой», — добавляет соавтор Дельфина Перейра из лаборатории Прейнера.
Результаты исследования газообразного водорода
«Несколько различных теорий предлагали, как окружающая среда могла энергетически подталкивать электроны вверх… мы определили процесс, который не может быть проще и который работает в естественных условиях гидротермальных источников», — отмечает Уильям Ф. Мартин, ведущий исследователь из Университета Дюссельдорф.
«То, что водород может производить металлическое железо из минералов, не является секретом», — говорит Харун Тюйсюз, эксперт по высокотехнологичным материалам в Институте Макса Планка в Мюльхайме и соавтор исследования.
«Во многих процессах в химической промышленности H2 используется для получения металлов из минералов во время реакции». Удивительно то, что природа тоже делает то же самое, особенно в гидротермальных источниках, и что это естественно отложившееся железо могло сыграть решающую роль в зарождении жизни .
Значение исследования
Красота этого открытия заключается в его простоте. Тот же процесс, который обнаружен у современных микробов, возможно, стал ключом к зарождению самой жизни миллиарды лет назад.
Он создает изображение самых ранних форм жизни на Земле. Эти организмы не полагались на сложные механизмы. Вместо этого они задействовали естественный механизм, чтобы собрать необходимую энергию и совершить решающий скачок к жизни.
Подробнее о гидротермальных источниках и газообразном водороде
Как говорилось выше, гидротермальные источники, загадочные гейзеры морского дна, очаровывают ученых и океанографов своими экстремальными условиями и уникальными экосистемами. Эти удивительные особенности морских глубин позволяют лучше понять происхождение жизни, пределы биологической выносливости и потенциал жизни за пределами Земли.
Определение и формирование гидротермальных источников
Гидротермальные источники — это трещины на поверхности планеты, из которых сбрасывается геотермально нагретая вода. Расположенные в основном на срединно-океанических хребтах, эти жерла образуются, когда морская вода просачивается через трещины на дне океана, нагревается магмой под земной корой, а затем устремляется обратно в океан, создавая шлейфы богатой минералами воды, которые поддерживают разнообразную разнообразие форм жизни.
Процесс начинается с того, что тектонические плиты расходятся на срединно-океанических хребтах, создавая новую океаническую кору и позволяя морской воде проникать в земную кору. Когда вода взаимодействует с горячей магмой, она становится перегретой, растворяя минералы и металлы из окружающих пород.
Эта перегретая, богатая минералами вода, температура которой может достигать 400°C (752°F), затем поднимается и выходит через морское дно, быстро охлаждаясь, смешиваясь с океанской водой, вызывая осаждение и образование растворенных минералов. дымообразные конструкции вокруг вентиляционных отверстий.
Жизнь на водороде в экстремальных условиях
Гидротермальные источники являются домом для уникальных экосистем, которые процветают в условиях, которые когда-то считались негостеприимными для жизни. Эти экосистемы опираются не на фотосинтез, который невозможен в темных глубинах океана, а на хемосинтез.
Микроорганизмы, лежащие в основе жерловой экосистемы, преобразуют химическую энергию жерловых минералов в органические соединения, выступая в качестве первичных производителей и поддерживая разнообразные сообщества организмов, включая гигантских трубчатых червей, моллюсков и уникальные виды рыб и ракообразных.
Прошлое, настоящее и будущее значение
Гидротермальные источники имеют важное научное, экономическое и экологическое значение. Они представляют собой уникальные природные лаборатории для изучения происхождения жизни, поскольку хемосинтетические процессы, наблюдаемые в жерлах, аналогичны тем, которые могли происходить на ранней Земле.
Кроме того, гидротермальные источники представляют интерес для биоразведки, поскольку организмы, адаптированные к экстремальным условиям, часто производят уникальные ферменты и соединения, которые могут найти фармацевтическое и промышленное применение.
Более того, жерла играют решающую роль в геохимических циклах океана, влияя на состав морской воды и глобальное распределение минералов. Однако они также сталкиваются с угрозами глубоководной добычи полезных ископаемых и изменения климата, что вызывает обеспокоенность по поводу необходимости их сохранения и устойчивого управления.
Проблемы и возможности
Изучение гидротермальных источников представляет собой серьезную техническую задачу из-за их глубокого, удаленного расположения и экстремальных условий. Однако достижения в области глубоководных исследовательских технологий, таких как дистанционно управляемые аппараты (ROV) и автономные подводные аппараты (AUV), позволяют более детально и часто изучать эти удивительные системы.
Исследование гидротермальных источников не только расширяет наши знания о процессах Земли и жизни в экстремальных условиях, но также улучшает наше понимание потенциала жизни на других планетарных телах. Например, на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе, оба из которых имеют подземные океаны, могут существовать условия, подобные гидротермальным жерлам, что предполагает возможность существования жизни за пределами Земли.
Последствия и будущие исследования
Подводя итог, можно сказать, что гидротермальные источники с их экстремальными условиями и уникальными экосистемами продолжают очаровывать и бросать вызов нашему пониманию жизни и процессов, происходящих на Земле.
Исследуя эти загадочные особенности морских глубин, мы раскрываем тайны нашей планеты и открываем дверь к раскрытию потенциала жизни в дальних уголках Солнечной системы.
Исследование гидротермальных источников представляет собой захватывающее пересечение геологии, биологии и астробиологии, предлагая идеи и возможности, которые расширяют воображение и расширяют границы науки.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
