Водород, или H2, — самый распространенный элемент во всей Вселенной. Ученые давно подозревали, что водородный газ был ключевым источником энергии для самых ранних форм жизни на Земле. Но вопрос заключался в том, каким образом?

Живым существам необходим способ преобразования источников энергии в пригодные для использования формы. Для наших тел это означает расщепление пищи, чтобы питать все, что мы делаем. Для первых клеток задача заключалась в том, чтобы понять, как использовать водород.

Новые исследования, проведенные специалистами из Германии и Азии, указывают на удивительно простой ответ. Исследование показывает, что щелочные гидротермальные источники могут быть тем самым недостающим звеном.

Гидротермальные источники и зарождение жизни

Гидротермальные источники — это отверстия в морском дне, через которые выходит геотермально нагретая вода. Они находятся в местах, где тектонические плиты Земли раздвигаются или где наблюдается вулканическая активность.

Эта горячая, богатая минералами вода, температура которой может превышать 752°F, смешивается с холодной, глубоководной водой вокруг нее.

Несмотря на экстремальные условия — огромное давление, обжигающие температуры и отсутствие света — эти жерла кишат разнообразными формами жизни.

Ученые постоянно интригуются тем, как жизнь процветает в таких суровых условиях. Они считают, что эти жерла могут рассказать о том, как зародилась жизнь на Земле.

Газообразный водород, толкающий электроны

Как же глубоководные существа выживают и даже процветают? Исследование помогает нам понять один из секретов жизни в этих жерлах: получение энергии из газообразного водорода.

Считайте, что водородный газ — это своего рода топливо для этих микроорганизмов. Но есть одна загвоздка. Чтобы извлечь энергию из водорода, клеткам приходится делать то, что, казалось бы, противоречит природе: они должны перемещать электроны в энергетически «восходящем» направлении.

«Для того чтобы получить энергию, клетки должны сначала энергично подтолкнуть электроны из H2 вверх», — объясняет Макс Брабендер, один из авторов исследования. «Это все равно что просить реку течь вверх, а не вниз, поэтому клеткам нужны инженерные решения».

Роль железа в происхождении Земли

В чем секрет такой передачи энергии вверх по склону? Оказывается, скромный металл — железо — мог сыграть главную роль.

При щелочном pH этих источников ученые обнаружили, что железо, образующееся в результате естественных процессов в этой среде, способно расщеплять водород и отправлять несущие энергию электроны в нужном направлении.

Никаких причудливых ферментов или сложных клеточных механизмов не понадобилось!

«Металлы дают ответы», — говорит Мартина Прейнер из Института Макса Планка (MPI). «На заре жизни металлы в древних условиях окружающей среды могли направлять электроны из H2 вверх, и мы можем видеть реликты этой первобытной химии, сохранившиеся в биологии современных клеток». Но одних металлов недостаточно.

«H2 также должен производиться окружающей средой», — добавляет соавтор исследования Дельфина Перейра из лаборатории Прейнера.

Результаты исследования водородного газа

«Мы выявили процесс, который не может быть проще и который работает в естественных условиях гидротермальных источников», — отмечает Уильям Ф. Мартин, ведущий исследователь из Университета Дюссельдорфа.

«То, что водород может получать металлическое железо из минералов, ни для кого не секрет», — говорит Харун Туйсуз, эксперт по высокотехнологичным материалам из Института Макса Планка в Мюльхайме (Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim) и соавтор исследования.

«Многие процессы в химической промышленности используют H2 для получения металлов из минералов в ходе реакции». Удивительно, что природа тоже так поступает, особенно в гидротермальных источниках, и что это естественно отложенное железо могло сыграть решающую роль в зарождении жизни».

Значение исследования

Красота этого открытия заключается в его простоте. Один и тот же процесс, обнаруженный у современных микробов, мог стать ключом к зарождению жизни миллиарды лет назад. Это создает образ самых ранних форм жизни на Земле. Эти организмы не полагались на сложные механизмы. Вместо этого они использовали природный механизм, чтобы собрать необходимую энергию и совершить решающий скачок к жизни.