Фосфор — один из главных парадоксов в истории происхождения жизни. Без него не собрать ни ДНК, ни РНК, ни клеточные мембраны, ни универсальную энергетическую валюту клеток — АТФ. Но самая распространённая форма фосфора на поверхности Земли, фосфат, химически инертна, почти не растворяется в воде и крайне неохотно вступает в реакции. Для живых организмов, уже умеющих управлять этой стабильностью, — идеально. Для добиологической химии, которой нужно было как-то запустить первые биохимические реакции, — тупик. Откуда же взялся достаточно реактивный фосфор, чтобы подтолкнуть мёртвую материю к жизни? Международная группа учёных, похоже, нашла ответ, и он лежит не в космосе и не в редких катастрофах, а в самих породах, из которых была сложена молодая Земля.

Магматическая фабрика реактивных молекул

Примерно четыре миллиарда лет назад наша планета выглядела иначе. Континенты ещё только формировались, а огромные пространства суши и океанического дна покрывали базальты, коматииты и другие мафические и ультрамафические породы — продукты застывания чрезвычайно горячих магм. Именно эти породы служили главной границей между недрами Земли и первобытными океанами.

Исследователи из Университета Катании и их коллеги проанализировали образцы из пятнадцати местонахождений на разных континентах: базальты, коматииты, перидотиты, кристаллы оливина. С помощью современных геохимических методов они сумели различить, какие именно химические формы фосфора скрываются внутри этих древних пород. И обнаружили то, чего раньше не замечали: помимо обычного фосфата, в минералах присутствуют фосфит и пирофосфат — значительно более реакционноспособные соединения. В некоторых образцах доля фосфита от общего фосфора оказалась неожиданно высокой, а концентрации пирофосфата соответствовали прямому образованию в ходе магматических процессов.

Это значит, что породы ранней Земли уже в момент своего формирования несли куда более сложное химическое наследство, чем предполагалось.

Тысячекратная разница в растворимости

Вся соль открытия — в свойствах фосфита. Он примерно в тысячу раз лучше растворяется в природных водах, чем фосфат, и гораздо охотнее реагирует с органическими молекулами. Многочисленные эксперименты по пребиотической химии показали: восстановленные формы фосфора способны запускать реакции фосфорилирования — один из ключевых шагов на пути к первым биомолекулам.

Пирофосфат интересен по-своему. В его молекуле есть высокоэнергетическая связь, функционально напоминающая ту, что сегодня используют живые клетки в АТФ. Авторы исследования не утверждают, что древний пирофосфат напрямую связан с современными биологическими системами, но само его присутствие в магматических породах открывает новые сценарии: энергетически активные молекулы могли быть доступны на самых ранних этапах земной истории.

Не редкий случай, а постоянный поток

Прежние гипотезы о происхождении реактивного фосфора опирались на относительно редкие события: падения метеоритов с фосфидами металлов, молнии, способные восстанавливать фосфор, особые высокотемпературные метаморфические процессы. Всё это правдоподобно, но неизбежно локально — и в пространстве, и во времени.

Новое исследование предлагает принципиально иную модель. Когда морская вода медленно разрушала вулканические породы океанического дна, фосфит и пирофосфат, запертые в минералах, постепенно высвобождались в окружающую среду. Простая химическая эрозия океанической коры могла миллионы лет снабжать океаны, гидротермальные системы и вулканические озёра непрерывным потоком реактивного фосфора.

Чтобы проверить, имел ли этот механизм реальное геохимическое значение, авторы построили количественные модели круговорота фосфора на ранней Земле. Они учли и производство фосфита при разрушении пород, и процессы его исчезновения — например, фотохимическое окисление под действием ультрафиолетового излучения. Расчёты показали: в глубоких океанах при благоприятных условиях концентрация фосфита могла достигать микромолярных значений. А в вулканических озёрах, где ультрафиолет проникал слабо — из-за слоистой воды или тонких поверхностных плёнок, богатых органикой, — концентрации могли подниматься до десятков микромолей. По мнению исследователей, это цифры, которые стоит всерьёз учитывать в будущих экспериментах по пребиотической химии.

Земная кора как активный участник

В совокупности результаты рисуют иную картину ранней Земли, чем принято было считать. Кора больше не выглядит просто геологической подложкой, на которой разворачивались события, приведшие к возникновению жизни. Она — активный участник пребиотической химии. Вулканические породы хранили, сохраняли и постепенно отдавали формы фосфора, куда более реактивные, чем простой фосфат, помогая создавать химическую среду, благоприятную для первых метаболических сетей.

Конечно, вопросов остаётся много: какие именно реакции вовлекали эти соединения, какие концентрации были действительно необходимы, насколько широко были распространены подходящие среды и как они взаимодействовали с другими ингредиентами добиологической химии. Но исследование вводит новый и, возможно, решающий элемент: часть реактивного фосфора могла производиться напрямую обычными магматическими процессами планеты и затем распространяться через разрушение пород.

Примитивная Земля, судя по всему, с самого начала обладала собственной геологической фабрикой реактивных молекул, способной миллионы лет поддерживать химию, которая в итоге привела к появлению жизни. И это важный сдвиг в перспективе: происхождение жизни, возможно, было не просто удачным стечением обстоятельств, а закономерным следствием свойств тех самых пород, из которых сложена наша планета.

Любопытно, что фосфор уже находили и за пределами Земли — например, в океане Энцелада, спутника Сатурна, где есть вода, тепло и органика. Но, как мы недавно разбирали, даже полный набор «ингредиентов для жизни» ещё не гарантирует, что жизнь действительно возникнет: Энцелад: идеальный для жизни океан, который может быть пуст. Новое открытие добавляет к этой дискуссии важный нюанс: мало иметь фосфор — нужно, чтобы он был в достаточно реактивной форме и поступал непрерывно. На молодой Земле, похоже, оба условия выполнялись. А вот как обстоят дела с этим на ледяных лунах — вопрос, на который у астробиологов пока нет ответа.