Новое исследование раскрывает, как водород обеспечивал энергию в начале жизни
Водород (H2) — чистое топливо. Его сжигание с кислородом воздуха даёт энергию без выбросов CO2. Хотя люди только сейчас осознают преимущества водорода, микробы знали, что H2 — хорошее топливо, с самого зарождения жизни на Земле.
Первые клетки на Земле существовали за счёт H2, производимого в гидротермальных источниках, используя реакцию H2 с CO2 для создания молекул жизни. Микробы, живущие за счёт этой реакции, могут обитать в полной темноте — в глубоководных гидротермальных источниках или горячих горных породах, в средах, где, по мнению многих учёных, и возникла жизнь.
Новое исследование в PNAS от команды Уильяма Ф. Мартина (Университет Дюссельдорфа) и Мартины Прейнер (Институт микробиологии им. Макса Планка, Марбург) раскрывает, как первые клетки научились использовать H2.
Проблема "подъёма" электронов
Чтобы получить энергию, клеткам нужно "поднять" электроны от H2 в энергетическом смысле. "Это как заставить реку течь в гору", — объясняет соавтор Макс Брабендер. Решение — электронное бифуркация, открытая 15 лет назад Вольфгангом Бюкелем и Рольфом Тауэром. Один электрон идёт "под гору", запуская механизм, который "тянет" другой электрон "в гору" к древнему переносчику электронов — ферредоксину.
Простое решение в начале эволюции
Новое исследование показывает, что при pH 8,5 (типичном для щелочных гидротермальных источников) белки не требуются. Связь H–H в H2 разрывается на поверхности железа: протоны потребляются щелочной водой, а электроны напрямую переносятся на ферредоксин.
"Мы определили процесс, который не может быть проще и работает в естественных условиях гидротермальных источников", — говорит Уильям Мартин.
Роль металлов и среды
"В начале жизни металлы в древних условиях среды могли направлять электроны от H2 вверх, и мы видим реликты этой химии в биологии современных клеток", — отмечает Мартина Прейнер. Но также необходима среда, производящая H2, например, гидротермальные источники, где вода взаимодействует с железосодержащими породами.
Большие количества H2 в таких источниках могут превращать железосодержащие минералы в металлическое железо. "То, что водород может делать металлическое железо из минералов, не секрет. Сюрприз в том, что природа делает это тоже", — говорит соавтор Харун Тюйсюз.
Ключевые выводы
- Железо — единственный металл в исследовании, способный направлять электроны от H2 "в гору" к ферредоксину.
- Реакция работает только в щелочных условиях, соответствующих определённому типу гидротермальных источников.
- Это согласуется с теорией о возникновении жизни в таких средах.
"Самое удивительное, что такие простые химические реакции могут заполнить важный пробел в понимании сложного процесса зарождения жизни, и мы можем наблюдать эти реакции в лаборатории сегодня в условиях древних гидротермальных источников", — заключают авторы.