Соединения фосфора, способствовавшие появлению жизни, вероятно, образовались при метеоритном ударе

Фосфор принадлежит к узкой группе элементов, которые, скорее всего, определили возникновение жизни на ранней Земле. Вместе с другими 11 основными химическими элементами в разных комбинациях он составляет молекулы белков и большинства других природных соединений. Фосфорорганические фрагменты – обязательные строительные блоки ДНК, РНК, фосфолипидов и конечно, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Поэтому фосфор занимает важнейшее место в энергетическом обмене живых организмов. Для образования первичной жизни на ранней Земле необходимо было, чтобы соединения фосфора в достаточном количестве были растворены в воде и могли участвовать в химических процессах.

Сейчас фосфор в природе встречается в составе инертных материалов типа фосфатов. Вероятность того, что фосфаты могли быть источниками фосфора для предшественников живых организмов, очень мала. Ученые до сих пор спорят, какие же соединения фосфора могли поспособствовать появлению «кирпичиков» для биогенных молекул.

Образование фосфоэфирной связи C–O–P (фосфорилирование) – это энергоемкая реакция, которая реализуется в биологическом мире посредством ферментативного катализа. Но как могли образоваться эти связи без участия ферментов? Одна из гипотез предполагает водное окисление или амидирование природных фосфидов. Еще один класс мощных агентов фосфорилирования– это циклофосфаты. Гидролитическое раскрытие кольца этих высокоорганических соединений высвобождает энергию, достаточную для начала реакций биомиметического фосфорилирования. Циклофосфаты широко используются в современной промышленности, однако до прошлого года в природе ранее не встречались.

Недавно были опубликованы результаты исследования, проведенного ведущим научным сотрудником Кольского научного центра Сергеем Бритвиным, работающим также в Санкт-Петербургском государственном университете. При изучении природных комплексов фосфидов в бассейне Мертвого моря ученые впервые обнаружили природные циклофосфатные минералы и предположили, что они могли образоваться в раннем периоде развития Земли в результате метеоритной бомбардировки и стали одной из предпосылок к зарождению жизни на планете.

Циклофосфаты обнаружили в породах формации Хартрурим (или «пятнистой зоны»), расположенной на обширной территории Ближнего Востока в Израиле, Палестинской автономии и Иордании. Эта зона известна необычной окраской скал – красных, коричневых, желтых, черных и зеленых оттенков, сложенных из сильно кальцинированных или, возможно, даже расплавленных осадочных пластов, которые подверглись воздействию температур, приближающихся к 1400 градусов Цельсия. Как произошел нагрев до такой высокой температуры – вопрос пока дискуссионный.

Ранние гипотезы предполагали самовозгорание битуминозного вещества, но сейчас ученые склоняются к возгоранию природного метана. Геологический возраст пирометаморфической свиты в формации Хатрурим – от 16 до 2,5 миллионов лет. Исследователи продемонстрировали, что циклофосфаты запускают реакции фосфорилирования без катализатора в очень мягких условиях, типичных для биохимической среды, и поэтому считаются главными кандидатами на роль агентов фосфорилирования, участвующих в возникновении первичной биоты на ранней Земле.

Оставался один вопрос: как смогли образоваться циклофосфаты? По одной из гипотез, соединения, ставшие предпосылкой для появления этих минералов, могли образоваться путем восстановления ортофосфатов в очагах любой геотермальной активности. Но есть более интересная, и как показали дальнейшие исследования, более вероятная гипотеза: возникновение циклофосфатов связано с метеоритной бомбардировкой.

Высокотемпературное происхождение предполагает, что процесс протекает через пиролитическое окисление фосфида, которое может происходить при абляции – сильном испарении и высокотемпературном окислении – метеоритов. Сначала это подтвердилось экспериментальными исследованиями и моделированием, а затем открыватели циклофосфатов с присоединившимися к ним учеными из Германии, США и Италии обнаружили в исторической области Южный Левант минерал, до сих пор известный только в космическом веществе метеоритов. Статья об этом появилась в июньском номере журнала American Mineralogist.

Фосфид (Fe, Ni)2P нашли в начале 2000-х годов в железном метеорите Онелло в отложениях реки Большой Долгучан (Восточная Якутия). В честь кристаллографа Аллы Богдановой его назвали аллабогданит. Первый автор статьи, профессор кафедры кристаллографии СПбГУ и ведущий научный сотрудник Центра наноматериаловедения Кольского научного центра Сергей Бритвин выполнял исследования в рамках гранта Российского научного фонда.

Эксперименты по изучению фазовых переходов земного аллабогданита при высоких давлениях и температурах на синхротроне в Германии показали, что земной аллабогданит мог образоваться при давлении, превышающем 250 тысяч атмосфер. Такие высокие давления возникают только при катастрофических столкновениях с крупными метеоритами либо в условиях мантии, на глубине более 500 километров. Аллабогданит земного происхождения был найден в поверхностных породах.

Таким образом, предположение о том, что циклофосфаты могли появиться в результате столкновения с Землей метеорита, становится более вероятным, нежели теория о гидротермальном происхождении этих соединений. Однако исследователи предостерегают от поспешных выводов при экстраполяции данных экспериментов с синтетическими соединениями на природные системы, поскольку влияние замещающих примесей на условия фазовых переходов может быть неожиданно сильным. 

КНЦ РАН

26 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше