Геохимические изменения и их влияние на раннюю жизнь: как железо сформировало эволюцию жизни на Земле

Жизнь на Земле, как мы её знаем, была обусловлена множеством геохимических процессов, формировавших окружающую среду нашей планеты. Одним из ключевых изменений, определяющих развитие жизни, было наличие железа в ранних океанах. Исследования учёных показали, что около миллиарда лет назад, когда жизнь начала развивать фотосинтез, геохимические изменения, связанные с окислением железа, сыграли решающую роль в подготовке к крупным эволюционным вызовам. В этой статье мы исследуем, как доступность железа формировала биохимические реакции и эволюцию форм жизни в архее, а также как эти процессы могли повлиять на способность первых организмов адаптироваться к изменяющимся условиям.

gazeta.ru: Американские ученые из Мичиганского университета, Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе установили, что железо было самым ранним и единственным металлом, повлиявшим на развитие жизни на Земле. Исследование опубликовано в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

«Мы утверждаем, что жизнь полагалась только на металлы, с которыми она могла взаимодействовать, а богатый железом ранний океан сделал другие переходные металлы, по сути, невидимыми», — отметила доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде Мичиганского университета Джена Джонсон.

По словам исследователей, железо преобладало в океанах Земли архейского эона (геологического периода), который начался около 4 млрд лет назад и длился примерно 1,5 млрд лет. Конец архейского эона ознаменовался так называемым Великим событием оксигенации.

В это время жизнь развила способность осуществлять фотосинтез с образованием кислорода. Ученые полагают, что в течение следующего миллиарда земной океан превратился из богатого железом бескислородного моря в современный насыщенный кислородом водоем. Это также окислило закись железа Fe(II) до окиси Fe(III), сделав его нерастворимым.

Чтобы изучить потенциальное воздействие, команда разработала модель, которая обновила прогнозы концентраций определенных металлов, включая железо, марганец, кобальт, никель, медь и цинк, которые могли быть доступны в океанах Земли, когда зарождалась жизнь.

После того, как специалисты определили, какие металлы были доступны в ранних океанах, они исследовали, с какими металлами могли связываться простые биомолекулы. Оказалось, что молекулы взаимодействовали только с железом.

Когда железо окислилось и перестало быть биологически доступным, древним организмам пришлось переориентироваться на другие металлы, что в дальнейшем обеспечило разнообразие форм жизни.

***

Исследование, проведенное учеными из Мичиганского университета, Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, действительно подчеркивает важность железа для раннего развития жизни на Земле. Установление, что железо было единственным доступным металлом в океанах архейского эона, позволяет понять, как именно биохимические процессы развивались в те времена.

Как отметила одна из исследовательниц, Джена Джонсон, богатый железом океан делал другие переходные металлы, такие как марганец, кобальт и никель, «невидимыми» для древних форм жизни. Это означает, что жизненные процессы в тот период зависели исключительно от наличия железа, которое было важным компонентом в химических реакциях, поддерживающих жизнь.

С изменением условий в океане в конце архейского эона и началом Великих событием оксигенации, когда жизнь развила фотосинтез и начала высвобождать кислород, изменился и доступ к металлам. Железо, окисляясь, делалось менее доступным для организмов, что вынудило их адаптироваться и начать использовать другие металлы. Это, в свою очередь, способствовало эволюции и разнообразию жизни.

Такое исследование подчеркивает, как изменения в геохимических условиях могут влиять на биологические процессы и эволюцию, и открывает новые горизонты для понимания ранней жизни на нашей планете.