На гранулах пирита выросли кристаллы из первичного бульона

Группа американских и японских ученых установила, что химические экосистемы могут эволюционировать при наличии ресурса исходных реагентов. Авторы новой работы смешали раствор простых органических веществ, неорганических солей и источника химической энергии (АТФ или персульфата аммония) с порошком пирита, перемешивали пару дней, а затем перенесли часть в сосуд с новой порцией исходного раствора с пиритом и последовательно переносили сорок раз.

На 12 поколении концентрации органических веществ и производного АТФ начали снижаться, а на кристаллах пирита образовывались фрактальные рисунки. 

Согласно одной из теорий возникновения жизни, развитие необходимых сложных веществ на Земле произошло благодаря эволюции химических экосиситем, которые накапливались на поверхности минералов и состояли из молекул, способных катализировать реакции образования друг друга. Одна из моделей возникновения таких систем основана на предположении о том, что органические молекулы адсорбировались на железисто-серных минералах и «росли» в окружении источников атомов углерода. Однажды обогащенные важнейшими молекулами, взаимно-катализируемые системы развивались и распространялись по поверхности минералов, используя потоки веществ и энергии из окружающей их среды для формирования всех нужных компонентов.

Лена Винсент (Lena Vincent) с коллегами из Висконского университета в Мадисоне смешали вещества, вероятно существовавшие в добиотический период, с порошком распространенного в то время пирита и исследовали эволюцию раствора, добавляя новые порции компонентов к веществам, которые синтезировались в предыдущем поколении. Раствор с порошком пирита оставляли на пару дней, затем перенесли смесь в сосуд с новым раствором пирита и опять оставили на два-три дня.

Через каждые шесть поколений авторы определяли рН, концентрации образующихся веществ и ортофосфата — производного молекулы АТФ, которую добавили в раствор в качестве источника химической энергии. Исходный бульон содержал аминокислоты, органические кислоты, соли переходных металлов, некоторые неорганические соли, азотистые основания, сахара, кофакторы и некоторые другие соединения.

Чтобы убедиться, что изменения в растворе протекают благодаря последовательному переносу в сосуды с новыми растворами, а не в результате старения или попадания веществ из окружающей среды, исследователи сравнивали результаты с контрольными образцами.

В десяти независимых сериях эксперимента авторы обнаружили значительное снижение концентрации ортофосфата в поколениях шесть, 12 и 18 по сравнению с контрольными растворами. Исследователи предполагают, что это произошло либо из-за осаждения или адсорбции на пирите, либо из-за перехода во вторичные неорганические анионы или фосфорилированные органические соединения. Содержание органических соединений, которые поглощают электромагнитное излучение в УФ и видимой области, начало снижаться в 12 поколении. Авторы утверждают, что эти соединения покидали раствор аналогично ортофосфату.

На изображениях сканирующего электронного микроскопа гранул порошка пирита исследователи заметили фрактальный рисунок, который на гранулах контрольного образа встречался редко. В результате дополнительных экспериментов авторы убедились, что для образования рисунка необходимо наличие в растворе как неорганических солей, так и органических веществ и АТФ. По словам авторов, это указывает на наличие органического слоя на поверхности пирита, который позволяет образовываться кристаллическим структурам.

Авторы заметили систематические изменения в течение циклов переноса и продолжительный цикл спада и повышения концентраций свободного ортофосфата и органических соединений, который указывает на возможность возникновения динамически поддерживаемой самораспространяющейся химической экосистемы. По их словам, модификация использованного метода изучения эволюции химических экосистем с пиритом путем варьирования начальных компонентов и концентраций поможет ученым лучше понять возникновение условий для развития жизни.