Классическая версия происхождения жизни обычно связывает её появление с океаном — с зонами у подводных вулканов, где тепло, минералы и подходящая химическая среда могли запустить первые биологические процессы.
Но в этой картине есть противоречие. В древнем океане присутствовал элемент, который в высоких концентрациях становится токсичным. Чтобы удерживать его в безопасных пределах, требовались дополнительные геохимические механизмы.
Речь идёт о боре — химическом элементе, который играет двойную роль. С одной стороны, он необходим для ряда процессов, связанных с возникновением жизни. С другой — его избыток разрушителен для клеток. Недостаток же делает невозможным формирование ранних биологических систем, зависящих от этого элемента.
Брендан Дайк из Университета Британской Колумбии многие годы изучал связь между внутренними процессами Земли и условиями на её поверхности. Новые результаты опубликованы в журнале Terra Nova.
Современная морская вода содержит бор в относительно стабильных концентрациях, которые укладываются в «рабочий диапазон» для биохимии. Однако океан, существовавший до формирования континентов, почти наверняка выходил за эти пределы. Причина внимания к бору связана с рибозой — сахаром, который образует основу РНК. Эта молекула крайне нестабильна и легко разрушается.
Эксперименты в лабораториях показывают, что рибоза в водной среде сохраняется лишь несколько часов. Часто она распадается до того, как успевает участвовать в более сложных химических реакциях. Для гипотез, связывающих зарождение жизни с РНК, это серьёзная проблема.
Бор в форме боратов способен стабилизировать рибозу, связываясь с её структурой и замедляя распад. Это одно из наиболее убедительных объяснений, как могла сохраняться эта молекула в ранней химической среде Земли. Дальше в анализ вступает геология. До примерно 3,7 миллиарда лет назад планета была практически полностью покрыта океаном. Суши как таковой почти не существовало.
Земная кора в тот период состояла преимущественно из базальта — плотной вулканической породы тёмного цвета, которая и сегодня формирует дно океанов. Базальт, в отличие от других пород, активно отдаёт бор в воду, а не удерживает его.
Дайк совместно с Джоном Уэйдом из Оксфордского университета рассчитали, что такой процесс мог приводить к накоплению бора в морской воде до уровней, потенциально токсичных для зарождающихся биологических систем. В такой химической среде многие нестабильные молекулы разрушались бы быстрее, чем успевали объединяться в более сложные структуры. Условия становились неблагоприятными для устойчивого химического развития.
Ситуация начала меняться, когда на поверхности Земли появились первые значительные массивы суши. Континенты сформированы в основном из гранита — более лёгкой и химически сложной породы по сравнению с базальтом.
Гранит разрушается медленнее и постепенно высвобождает элементы в окружающую среду. Это создаёт более равномерное поступление веществ в океан, включая бор, и снижает резкие химические колебания. По мере роста континентальной коры концентрация бора в воде постепенно приблизилась к современным значениям — уже не токсичным, но достаточным для биохимических процессов.
Ключевую роль здесь играет минерал турмалин. В быту он известен как декоративный камень, но в геологии рассматривается как основной долговременный «резервуар» бора на Земле. Турмалин формируется в породах, богатых гранитом, и способен удерживать бор в кристаллической решётке сотни миллионов лет. Без такого механизма стабильного хранения концентрация элемента в океане оставалась бы слишком нестабильной.
Новое понимание связано с тем, как именно образуется турмалин. Исследования показали, что процесс его кристаллизации требует подходящей поверхности для начала роста. Такой поверхностью оказалась слюда — слоистый минерал, часто встречающийся в граните и придающий породе характерный блеск. Структуры слюды и турмалина достаточно близки, чтобы один минерал мог «прикрепляться» к другому.
Этот процесс получил название эпитаксии. Он объясняет, как турмалин мог массово формироваться в континентальных породах. До этих работ механизм распространённости турмалина оставался не до конца понятным. Использование слюды как основы для роста минерала отодвигает появление устойчивого хранения бора в континентальной коре минимум на 3,7 миллиарда лет назад. Значение этого результата выходит за пределы Земли. Анализ марсианских пород показывает наличие бора, однако он связан в основном с базальтовыми структурами.
На Марсе не сформировались крупные гранитные континенты. Если именно они обеспечивают стабилизацию концентрации бора, то условия на планетах без суши будут химически нестабильными. В таких мирах содержание элемента может колебаться слишком резко — от избытка до дефицита — не создавая устойчивого «окна» для биохимии. Из этого следует, что геологическая история планеты может быть столь же важна для её потенциальной обитаемости, как и её положение относительно звезды.
Брендан Дайк отметил, что речь идёт о системе геологического контроля химического состава поверхности Земли.
Исследование основано на минералогическом анализе и геохимическом моделировании. Прямых измерений состава древнего океана не существует, поэтому выводы опираются на расчётные модели.
Дополнительная проверка возможна через анализ древних пород. Особое значение имеет комплекс Исуа в Гренландии, где обнаружен турмалин возрастом около 3,7 миллиарда лет. Вопрос пригодности планет для жизни в таком подходе выходит за рамки привычных критериев. Недостаточно только наличия воды и подходящего расстояния до звезды. Важно, сформировались ли на планете гранитные континенты и устойчивые минералы, способные регулировать химический баланс поверхности на протяжении длительного времени.
В рамках исследования ранней Земли появляется более детализированное объяснение: появление суши не только изменило ландшафт планеты, но и сформировало океан, в котором химические условия стали устойчивыми для возникновения жизни.
