Древние вулканы могли обеспечить первые живые организмы азотом

Все живые организмы нуждаются в азоте, но лишь некоторые бактерии и археи способны потреблять его напрямую из воздуха. Сегодня все мы зависим от этих микробов, получая азот, который те превращают в доступные нам формы. Но откуда появлялись эти соединения азота на ранней Земле, когда одноклеточных азотфиксаторов еще не было? Вероятно, ими молодую жизнь снабдили бесчисленные молнии, которые сопровождают извержения вулканов. Доклад об этом прозвучал на прошедшей в Вене встрече Европейского союза наук о Земле (EGU).

Азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, а потому необходим любому живому организму — от человека до примитивных микробов. Казалось бы, в воздухе его достаточно: земная атмосфера состоит из азота почти на 80 процентов. Однако его молекулы отличаются исключительно прочными тройными связями между атомами. Разорвать эту связь и включить азот в состав биологических молекул — задача крайне тяжелая.

За миллиарды лет эволюции такую способность выработали лишь некоторые бактерии — азотфиксаторы, расходующие на это большие количества энергии. Они переводят атмосферный азот в формы, которыми могут пользоваться растения, грибы, а с ними и другие живые организмы. Но все равно этот элемент остается дефицитным, поэтому азот — например, в виде нитратов — массово производят искусственно и используют в качестве удобрений.

Однако возникает вопрос о том, откуда брали азот первые живые организмы на Земле. Очевидно, на планете был другой, абиогенный источник, не связанный ни с людьми, ни с азотфиксаторами. Один из возможных кандидатов на эту роль — разряды молний, энергии которых достаточно для разрыва тройной ковалентной связи молекулярного азота.

Известно, что сегодня молнии превращают его в оксиды, из которых быстро возникают нитраты. Объемы этого «производства» совсем незначительны в масштабах целой планеты. Но в некоторых обстоятельствах такие разряды проявляют себя куда заметнее. В частности, авторы новой работы обратили внимание на молнии, которые сопровождают вулканизм.

Извержения выбрасывают в атмосферу огромные количества газов и пепла, стимулируя возникновение множества электрических разрядов. Так, всего за один день извержения индонезийского вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в 2022 году специалисты зафиксировали почти полмиллиона молний. А если вспомнить, что в далеком прошлом на Земле происходили невероятно масштабные извержения, то можно заключить: они могли создавать весьма значительные объемы нитратов.

Такой сценарий рассмотрели Эрван Мартин (Erwan Martin) и его коллеги. Ученые собрали образцы отложений на территории нынешних Перу и Турции, где несколько миллионов лет назад происходили мощные извержения, а сравнительно сухой климат защитил нитраты от вымывания водой. Их действительно удалось обнаружить, причем изотопный состав этих молекул показал, что они сформировались в атмосфере, а не в результате азотфиксации микробами. По оценкам авторов новой работы, каждое из рассмотренных ими извержений создало порядка 60 миллионов тонн нитратов.

Нечто подобное вполне могло происходить на молодой Земле, когда планета была куда более вулканически активна. Возможно, молнии производили другие соединения азота: в атмосфере того времени не было кислорода, который мог бы связываться с ним, создавая оксиды, переходящие в нитраты. Однако результатом вулканизма мог быть аммиак, тоже дающий соединения, подходящие для потребления живыми организмами.