Глубины Земли раскрывают тайну жизни: эксперимент доказал её рождение без света и ДНК

Жизнь на Земле могла зародиться не в лучах солнца, а в полной темноте — на дне древнего океана, где кипели щелочные источники и шли реакции, предвосхитившие появление первых клеток. Исследователи из Бразилии, Японии, Великобритании и США впервые смогли воссоздать эти процессы в лаборатории и доказали, что сама природа могла быть химиком, создавшим основу биологической жизни. Об этом рассказала Газета.Ru со ссылкой на публикацию в Journal of the American Chemical Society (JACS).

Как всё началось под водой

Около четырёх миллиардов лет назад, во времена Гадейского эона, поверхность Земли представляла собой хаос лавы, вулканов и кипящих морей. Но именно в таких экстремальных условиях, как выяснилось, могли зародиться первые органические соединения. На границе горячих щелочных источников и холодной кислой морской воды формировались минеральные стенки из сульфидов железа и никеля. Эти микропористые структуры создавали электрохимические градиенты — нечто вроде "батареи" для первых химических реакций.

Учёные предположили, что подобные природные градиенты могли запускать реакции восстановления углекислого газа с участием водорода. Чтобы проверить гипотезу, команда исследователей разработала миниатюрные реакторы, воспроизводящие древние условия океанского дна. По данным JACS, в качестве катализаторов использовались соединения Fe-S и Fe-Ni-S, аналогичные активным центрам современных ферментов.

Результат оказался неожиданным: на "океанической" стороне реактора обнаружились микроконцентрации муравьиной и уксусной кислот — первых органических соединений, известных современной биохимии.

Энергия из ничего

"Мы хотели проверить, достаточно ли только естественных физических условий, чтобы запустить этот процесс. И выяснили, что их действительно хватает", — заявил исследователь Института физико-химических исследований RIKEN Тьяго Алтэр Феррейра.

В опытах использовались токи силой всего в несколько наноампер — величины настолько малой, что аналогичные токи могли существовать на дне древнего океана без всякого вмешательства живых организмов. Именно эти слабые электрические поля запускали реакции, превращая CO₂ в муравьиную, а затем в уксусную кислоту.

Почему это важно? Эти реакции — ключевые шаги так называемого пути Вуда-Льюнгдаля, древнейшей метаболической цепочки, с помощью которой современные бактерии извлекают энергию. Если природа могла воспроизвести этот путь самостоятельно, значит, начало жизни действительно могло быть чисто химическим, без участия сложных молекул вроде белков или ДНК.

Можно ли считать это доказательством происхождения жизни? Пока нет, но исследователи называют результаты "критическим звеном" между неорганической химией и биологическим метаболизмом. Эксперимент показал, что базовые энергетические процессы могли возникнуть спонтанно — задолго до появления первых клеток.

Природа как лаборатория

Когда говорят о происхождении жизни, чаще всего вспоминают знаменитый эксперимент Миллера — 1953 года, когда искры, имитирующие молнии, превратили смесь газов в аминокислоты. Новый опыт делает акцент на другом сценарии — подводном, без доступа света и кислорода.

Вместо молний — электрохимические токи. Вместо открытой атмосферы — минеральные мембраны, разделяющие потоки жидкости. Именно они могли выполнять функции первых "клеточных стенок", создавая микросреду для реакции.

В лаборатории учёные подтвердили, что эти естественные градиенты температуры, pH и окислительно-восстановительного потенциала могли быть достаточными для образования органических соединений. Это не просто воспроизведение древней химии — это проверка самой идеи, что жизнь могла быть неизбежным следствием физики планеты.

Что было до клеток

До появления ДНК и белков химические системы, подобные тем, что исследовали учёные, могли существовать миллионы лет, постепенно усложняясь. Муравьиная и уксусная кислоты — лишь начало цепочки, ведущей к более сложным углеродным соединениям.

Как из простых кислот получаются сложные молекулы? Реакции Вуда-Льюнгдаля позволяют углероду переходить из неорганической формы в органическую. Со временем эти циклы могли замкнуться, формируя основу будущего метаболизма.

Учёные отмечают, что даже микроскопические различия в температуре и кислотности создавали "горячие точки" активности. Такие зоны могли стать прототипом будущих клеточных митохондрий — энергетических центров живых организмов.

Современные аналоги древней химии

Подводные гидротермальные источники — это не только прошлое, но и настоящее. Сегодня подобные структуры наблюдаются в Атлантическом и Тихом океанах. В них до сих пор живут бактерии, использующие водород и серу для получения энергии — тот же принцип, который, по мнению исследователей, работал миллиарды лет назад.

Сравнивая современные микроорганизмы с гипотетическими предшественниками, учёные видят удивительное сходство. Природа будто сохранила "память" о первых шагах жизни.

Можно ли воспроизвести весь путь до живой клетки? Пока технологии не позволяют, но направление ясно: шаг за шагом наука приближается к пониманию, как неорганический мир породил биологический.

Что будет дальше

Исследователи планируют расширить эксперименты: изменить состав "древней воды", варьировать давление и температуру, добавить минералы, встречавшиеся в тех эпохах. Цель — проследить, какие комбинации условий максимально способствуют синтезу органических молекул.

Параллельно химики и биофизики обсуждают, может ли подобный сценарий повторяться на других планетах — например, на спутниках Юпитера и Сатурна, где есть подлёдные океаны.

"Если электрохимические градиенты действительно способны порождать органику, значит, вероятность появления жизни во Вселенной гораздо выше, чем считалось", — отмечается в материале Газета.Ru со ссылкой на JACS.

Мини-инструкция: как воспроизвели древний океан

1. Смоделировали поток "щелочной" гидротермальной жидкости и "кислой" морской воды.

2. Между потоками установили минеральную перегородку из Fe-S и Fe-Ni-S.

3. Пропустили через систему слабый ток порядка 10⁻⁹ ампер.

4. Зафиксировали образование муравьиной и уксусной кислот на "океанической" стороне.

Такой упрощённый эксперимент подтвердил возможность естественного запуска ключевых реакций без участия живых ферментов.

Что если условия были другими — кислотными или без железа? Тогда реакции шли бы медленнее или вовсе не происходили. Именно баланс щелочности и наличия сульфидов оказался решающим фактором.

Ошибки прошлого и новые подходы

Ранее многие модели происхождения жизни исходили из идеи "молекулярного хаоса": якобы органика появилась случайно из смеси газов и аминокислот. Однако современные данные показывают, что для устойчивого синтеза нужны стабильные энергетические источники — такие, как электрохимические поля гидротермальных источников.

Ошибкой прошлых исследований было недооценивание роли неорганических катализаторов. Теперь ясно, что именно они могли служить "переходным мостом" между химией и биологией. Альтернатива — поиск аналогичных условий на других планетах, что делает открытие особенно актуальным для астробиологии.