Мантия Земли – колыбель жизни? Новый взгляд на теорию первичного бульона

Загадка происхождения жизни — один из тех вечных вопросов, которые не перестают волновать умы ученых и обывателей. Мы привыкли представлять себе зарождение жизни как некий спонтанный процесс в теплом мелководье или у бурлящих гидротермальных источников. Но что, если колыбель жизни находилась гораздо глубже, в недрах самой Земли? Новое исследование, проведенное командой профессора Дина Пана из Гонконгского университета науки и технологий, заставляет нас пересмотреть устоявшиеся представления и взглянуть на теорию «первичного бульона» под совершенно новым углом.

От Дарвиновского пруда к мантийным флюидам

Дарвин, размышляя о происхождении жизни, говорил о «теплом маленьком пруде», где могли бы образоваться первые органические молекулы. Позже, в 20-х годах XX века, Опарин и Холдейн развили эту идею, сформулировав теорию «первичного бульона». Согласно ей, в условиях ранней Земли, насыщенной неорганическими веществами, под воздействием молний и ультрафиолета могли возникнуть простые органические соединения, которые затем, усложняясь, дали начало жизни. Эксперимент Миллера-Юри в 1953 году, казалось бы, подтвердил эту гипотезу, продемонстрировав, как аминокислоты могут образовываться из газов, имитирующих состав первичной атмосферы.

Однако, оставался открытым вопрос: насколько стабильны эти молекулы в экстремальных условиях, царивших на молодой планете? Особенно это касалось глубоководных гидротермальных источников, которые, с одной стороны, рассматривались как потенциальные места зарождения жизни из-за обилия энергии и химических веществ, а с другой — вызывали сомнения из-за высоких температур, способных разрушать органические соединения. Исследование профессора Пана предлагает неожиданный поворот: колыбель жизни следует искать не в океане, а в мантии Земли, на глубинах, где давление и температура достигают колоссальных значений.

Компьютерное моделирование: взгляд в недра Земли

Чтобы проверить свою гипотезу, ученые провели сложнейшее компьютерное моделирование, используя метод молекулярной динамики из первых принципов. Они воссоздали условия, существующие на глубине 10-13 ГПа и при температуре 1000-1400 К, и изучили поведение флюидов, состоящих из воды, аммиака, водорода и монооксида углерода — основных компонентов мантии. Результаты оказались поразительными. Вопреки ожиданиям, что высокие температуры будут разрушать органические молекулы, моделирование показало обратное: в сверхкритических флюидах формировались сотни различных органических соединений, в том числе ключевые для жизни молекулы, такие как глицин, рибоза, мочевина и даже урацилоподобные соединения — предшественники нуклеиновых кислот.

Более того, расчеты показали, что при давлении 10 ГПа и температуре 1400 К образование и стабильность связей углерод-азот, необходимых для построения биомолекул, достигают максимума. Это означает, что недра Земли могли функционировать как гигантский химический реактор, производящий строительные блоки жизни в огромных количествах.

Пятичленная рибоза: ключ к РНК-миру

Особый интерес представляет открытие, касающееся рибозы — сахара, играющего ключевую роль в структуре РНК. Известно, что рибоза может существовать в двух формах: пятичленной и шестичленной. В водных растворах преобладает шестичленная форма, но для построения РНК необходима именно пятичленная. Удивительно, но исследование показало, что при высоких температурах и давлениях, характерных для мантии, пятичленная рибоза становится более стабильной. Это может означать, что РНК-мир — гипотетическая стадия эволюции, предшествующая ДНК-миру, — зародился именно в недрах Земли.

Из глубин на поверхность: путешествие жизни

Возникает закономерный вопрос: как же эти молекулы, образовавшиеся в глубинах планеты, смогли выбраться на поверхность и дать начало жизни? Авторы исследования предполагают, что процессы ранней геологической активности, такие как вулканизм и тектонические сдвиги, могли способствовать выносу органических соединений из мантии в океаны и атмосферу. Там, в более мягких условиях, эти молекулы могли объединяться, образуя более сложные структуры и, в конечном итоге, первые живые организмы.

Кроме того, недра Земли, в отличие от поверхности, защищены от губительного воздействия радиации и резких колебаний температуры. Это создавало идеальные условия для сохранения синтезированных биомолекул в течение длительного времени, давая им шанс на дальнейшую эволюцию.

Новый взгляд на старую теорию

Исследование профессора Пана не отменяет теорию «первичного бульона», а скорее, существенно расширяет и углубляет ее. Оно показывает, что источники органических молекул могли быть не только на поверхности Земли, но и в ее глубинах. Мантия Земли, рассматриваемая ранее как горячая и химически инертная среда, предстает перед нами как гигантская химическая лаборатория, способная производить строительные блоки жизни в огромных количествах.

Это открытие имеет далеко идущие последствия. Во-первых, оно открывает новые перспективы в поисках внеземной жизни. Если жизнь может зародиться в недрах планеты, то шансы найти ее на других небесных телах, даже с неблагоприятными условиями на поверхности, значительно возрастают. Во-вторых, исследование позволяет лучше понять процессы, происходящие в межзвездном пространстве, где давление и температура также могут достигать высоких значений, и где могут образовываться органические молекулы.

Таким образом, работа команды профессора Пана не только проливает свет на тайну происхождения жизни на Земле, но и открывает новые горизонты для исследований в самых разных областях науки — от астробиологии до химии высоких давлений. Возможно, ответы на самые главные вопросы о нашем происхождении скрываются не в далеких звездах, а глубоко под нашими ногами.