|
Водород обеспечивал энергию при зарождении жизни
|
|
|
|
Газообразный водород является чистым топливом. Он сгорает с кислородом воздуха, обеспечивая энергию без CO2. Водород является ключом к устойчивой энергетике будущего. Хотя люди только сейчас начинают осознавать преимущества газообразного водорода (сокращенно H2), микробы знали, что H2 является хорошим топливом с тех пор, как на Земле появилась жизнь. Водород - древняя энергия. Самые первые клетки на Земле жили за счет H2, вырабатываемого в гидротермальных источниках, используя реакцию H2 с CO2 для образования молекул жизни. Микробы, которые процветают в результате реакции H2 и CO2, могут жить в полной темноте, населяя жуткие, первобытные места обитания, такие как глубоководные гидротермальные источники или горячие скальные образования глубоко в земной коре, среды, где, по мнению многих ученых, возникла сама жизнь.
|
|
|
|
В PNAS теперь сообщается о новых удивительных открытиях о том, как первые клетки на Земле научились использовать H2 в качестве источника энергии. Новое исследование было проведено командой Уильяма Ф. Мартина из Университета Дюссельдорфа и Мартины Прейнер из Института наземной микробиологии Макса Планка (MPI) в Марбурге при поддержке сотрудников из Германии и Азии. Чтобы собрать энергию, клетки сначала должны энергично вытолкнуть электроны из H2 вверх. "Это все равно, что попросить реку течь в гору, а не под уклон, поэтому клеткам нужны инженерные решения", - объясняет один из трех первых авторов исследования Макс Брабендер. То, как клетки решают эту проблему, было открыто всего 15 лет назад Вольфгангом Бакелем вместе со своим коллегой Рольфом Тауэром в Марбурге.
|
|
|
Они обнаружили, что клетки посылают два электрона в водороде по разным путям. Один электрон движется далеко вниз, настолько далеко, что приводит в движение что-то вроде шкива (или сифона), который может энергетически тянуть другой электрон вверх. Этот процесс называется бифуркацией электронов. В клетках для этого требуется несколько ферментов, которые отправляют электроны вверх к древнему и важному биологическому переносчику электронов, называемому ферредоксином. Новое исследование показывает, что при рН 8,5, типичном для естественных щелочных источников, "белки не требуются", объясняет Бакель, соавтор исследования, "связь Н–Н Н2 расщепляется на поверхности железа, генерируя протоны, которые потребляются щелочной водой, и электроны, которые затем легко переносятся непосредственно к ферредоксину."
|
|
|
|
То, как энергетически сложная реакция могла протекать на ранних этапах эволюции, до появления ферментов или клеток, было очень сложной загадкой. "Несколько различных теорий предполагали, как окружающая среда могла энергетически подталкивать электроны вверх к ферредоксину до возникновения бифуркации электронов, - говорит Мартин. - Мы определили процесс, который не может быть проще и который работает в естественных условиях гидротермальных источников". С момента открытия бифуркации электронов ученые обнаружили, что этот процесс является одновременно древним и абсолютно необходимым для микробов, которые живут за счет H2. Неприятная проблема для эволюционно мыслящих химиков, таких как Мартина Прейнер, чья команда в Марбурге сосредоточена на влиянии окружающей среды на реакции, которые микробы используют сегодня и, возможно, использовали при зарождении жизни, заключается в следующем: как H2 использовался для путей фиксации CO2 до появления сложных белков?
|
|
|
|
"Металлы дают ответы, - говорит она. - на заре жизни металлы в древних условиях окружающей среды могли отправлять электроны из H2 вверх, и мы можем видеть реликты этой изначальной химии, сохранившиеся в биологии современных клеток". Но одних металлов недостаточно. "H2 также должен вырабатываться окружающей средой", - добавляет соавтор Дельфина Перейра из лаборатории Прейнера. Такие среды находятся в гидротермальных источниках, где вода взаимодействует с железосодержащими породами, образуя H2, и где микробы все еще живут сегодня, используя этот водород в качестве источника энергии. Гидротермальные источники, как современные, так и древние, выделяют H2 в таких больших количествах, что газ может превращать железосодержащие минералы в блестящее металлическое железо. "То, что водород может превращать металлическое железо из минералов, ни для кого не секрет", - говорит Харун Тюйсюз, эксперт по высокотехнологичным материалам в Институте Макса Планка в Мюльхайме и соавтор исследования.
|
|
|
|
"Многие процессы в химической промышленности используют Н2 для получения металлов из минералов в ходе реакции". Удивительно то, что природа тоже делает это, особенно в гидротермальных источниках, и что это естественно осажденное железо могло сыграть решающую роль в возникновении жизни. Железо было единственным металлом, идентифицированным в новом исследовании, который смог направить электроны в H2 вверх к ферредоксину. Однако реакция протекает только в щелочных условиях, подобных тем, которые наблюдаются в гидротермальных источниках определенного типа. Наталья Мрнявац из Дюссельдорфской группы и соавтор исследования отмечает: "Это хорошо согласуется с теорией о том, что жизнь возникла в таких условиях". "Самое захватывающее заключается в том, что такие простые химические реакции могут восполнить важный пробел в понимании сложного процесса происхождения и что сегодня мы можем наблюдать, как эти реакции протекают в условиях древних гидротермальных источников в лаборатории".
|
|
|
|
Источник
|
