Без падения гигантских астероидов на Земле не появились бы живые клетки: предложен неочевидный механизм зарождения жизни

У науки до сих пор нет ответа на вопрос о том, как именно неживая материя превратилась в биологический организм. На протяжении долгого времени исследователи искали ответ в глубинах первобытного океана, где горячие источники выбрасывают насыщенные химическими элементами жидкости. Однако последние данные геологии, химии и планетологии заставляют научное сообщество пересмотреть эту концепцию. Новые исследования показывают, что условия, необходимые для сборки первых сложных биологических молекул, с гораздо большей вероятностью формировались не на океанском дне, а на поверхности планеты — в зонах метеоритных ударов.

Эпоха Поздней тяжелой бомбардировки, длившаяся на ранней Земле около четырех миллиардов лет назад, обычно воспринимается как период абсолютного стерильного хаоса. Астероиды пробивали земную кору, испаряли огромные объемы воды и локально плавили поверхность. Но именно эти разрушительные физические процессы создавали долгоживущие энергетические аномалии, в которых могла запуститься химическая эволюция.

Проблема океана: иллюзия идеальной среды

Сначала нужно разобраться в причинах несостоятельности глубоководной гипотезы.

В 1977 году исследователи обнаружили на дне Тихого океана, в зоне Галапагосского рифта, гидротермальные источники — так называемые «черные курильщики». Вокруг этих структур, в условиях полной темноты и огромного давления, существовали целые экосистемы. Основой их выживания служил не фотосинтез, а хемосинтез: бактерии извлекали энергию из реакций с сероводородом и другими неорганическими веществами, поступающими из недр планеты.

Позже были открыты щелочные гидротермальные источники, такие как поле «Затерянный город» в Атлантическом океане. В них происходит геологический процесс под названием серпентинизация: морская вода вступает в реакцию с обнаженными глубинными породами, богатыми железом и магнием. Эта реакция выделяет большое количество тепла и свободного водорода. В сочетании с углекислым газом из океана, водород способен формировать простые органические молекулы. Наличие тепла, химических градиентов и органики сделало глубоководные источники главным кандидатом на роль колыбели жизни.

Однако при переходе от простых органических молекул к сложным структурам — белкам и РНК — глубоководная гипотеза сталкивается с проблемой. В науке она называется «парадоксом воды».

Любой живой организм строится из полимеров — длинных цепей, состоящих из базовых блоков (например, аминокислот). Процесс объединения этих блоков в цепь требует выделения молекулы воды. По законам физической химии, если реакция происходит в среде, которая уже пересыщена водой, процесс идет в обратном направлении. Вода выступает как агрессивный растворитель: она непрерывно атакует и разрывает хрупкие химические связи формирующихся белков и нуклеиновых кислот. Этот процесс называется гидролизом.

Собрать сложную молекулу РНК в толще океана невозможно физически: вода разрушит ее быстрее, чем она успеет сформироваться. Вторая проблема глубоководных источников заключается в высокой солености. Ионы натрия, в избытке присутствующие в морской воде, дестабилизируют и разрушают липидные оболочки — те самые структуры, которые должны были стать стенками первых клеток.

Жизни действительно необходима вода для транспортировки веществ, но постоянное пребывание в воде губительно для ранней биохимии. Процессу требуются строгие циклы изменения влажности, обеспечить которые океанское дно не способно.

Физика ударно-гидротермальных систем

В отличие от глубоководных источников, метеоритный кратер создает совершенно иную термодинамическую и химическую среду. Формирование такой среды начинается с момента удара.

Кинетическая энергия падающего астероида мгновенно преобразуется в тепло. В зоне контакта породы земной коры плавятся и крошатся. При сильном ударе возникает так называемое центральное поднятие: породы из глубины планеты под воздействием колоссального давления выталкиваются вверх, образуя в центре воронки гору из раздробленного базальта и перидотита.

Тепло от удара не рассеивается мгновенно. Огромный объем расплавленной породы и раскаленное центральное поднятие остывают крайне медленно. Формируется локальная термальная зона. Постепенно, за счет осадков или притока грунтовых вод, воронка заполняется водой — образуется кратерное озеро. Вода проникает сквозь трещины вглубь, к раскаленным породам, нагревается и под давлением возвращается на дно озера в виде гейзеров и гидротермальных выбросов. Возникает ударно-гидротермальная система.

Геологические исследования подтверждают, что такие системы существуют достаточно долго для того, чтобы в них успели пройти сложные химические эволюционные процессы. Изучение ударного кратера Хафтон в канадской Арктике показало, что его диаметр в 23 километра позволил поддерживать циркуляцию горячей воды на протяжении как минимум 50 000 лет. А гигантский кратер Чикшулуб на полуострове Юкатан, чей диаметр превышает 150 километров, сохранял термальную и химическую активность более двух миллионов лет.

Механика химического синтеза в кратерах

Условия внутри активного кратерного озера решают все основные противоречия, с которыми сталкивалась гипотеза подводного зарождения жизни.

Во-первых, кратерные озера располагаются на поверхности, что делает возможными влажно-сухие циклы. Вода на краях горячего источника может периодически испаряться, оставляя после себя сухой концентрат химических веществ, а затем возвращаться с дождями или изменением уровня водоема. Именно во время сухой фазы простые молекулы могут беспрепятственно соединяться в длинные цепи (полимеры), так как излишек воды испаряется и гидролиз становится невозможным. Когда вода возвращается во время влажной фазы, она перемешивает созданные сложные молекулы и позволяет липидам смыкаться вокруг них, образуя первые прото-клетки.

Во-вторых, в отличие от океана, вода в кратерных озерах формируется преимущественно за счет атмосферных осадков, а значит, является пресной. Низкий уровень содержания солей натрия позволяет липидным мембранам сохранять структурную целостность.

В-третьих, сами метеориты являются источником ключевых химических компонентов. Углистые хондриты и железные метеориты содержат фосфор, никель, железо и даже базовые органические соединения. Лабораторные эксперименты доказывают, что если нагревать формамид (соединение, присутствовавшее на ранней Земле) в присутствии метеоритного материала, происходит спонтанный синтез нуклеиновых оснований — тех самых компонентов, из которых строится ДНК и РНК. Метеорит, кроме того что создает резервуар с подогревом, еще и поставляет в него химические элементы, необходимые для катализа сложных реакций.

Наконец, в глубоких разломах под кратером, где давление и температура достигают экстремальных значений, углекислый газ переходит в сверхкритическое состояние. В этой форме он ведет себя одновременно и как плотный газ, и как жидкость. Сверхкритический углекислый газ действует как мощный органический растворитель. В таком состоянии он способен концентрировать важные элементы, такие как азот, и обеспечивать протекание реакций без участия жидкой воды, защищая формирующиеся биомолекулы от распада.

Планетологические последствия

Перенос фокуса с океанского дна на метеоритные кратеры меняет не только понимание истории Земли, но и подход к поиску жизни на других планетах.

Долгое время астробиологи считали, что для возникновения жизни планете абсолютно необходима система тектоники плит, которая обновляет земную кору и питает океанские гидротермальные источники. На Марсе тектоника плит отсутствует. Однако если жизнь зарождается в ударно-гидротермальных системах, то Марс в его ранней истории представлял собой идеальный инкубатор.

Поверхность Марса усеяна кратерами нойского периода (около 4 миллиардов лет назад) — времени, когда планета обладала плотной атмосферой и жидкой водой. Анализ знаменитого марсианского метеорита ALH84001, найденного в Антарктиде, выявил в его структуре микроскопические кристаллы магнетита. Эти кристаллы по своим физическим и химическим характеристикам очень точно совпадают с кристаллами, которые производят современные земные бактерии. Хотя этот факт до сих пор является предметом научных дебатов, геология подтверждает: ударные системы на раннем Марсе могли создавать локальные условия, идентичные земным.

Астероидные удары традиционно ассоциируются с массовыми вымираниями и глобальными катастрофами, стирающими биологические виды с лица планеты. Однако физика ранней Солнечной системы допускает обратную сторону этого процесса. Кинетическая энергия, деформирующая земную кору, создавала строгие температурные и химические градиенты. Эти градиенты запускали термодинамические циклы, в которых базовая химия усложнялась, преодолевала порог разрушения водой и приобретала способность к самоорганизации. Первые клетки на Земле могли быть не порождением темных океанских глубин, а прямым следствием космической бомбардировки, превратившей остывающий камень в геохимический реактор.

Источник: Journal of Marine Science and Engineering