Новый отчет раскрывает, как газообразный водород, энергия будущего, обеспечивал энергией в прошлом, у истоков жизни 4 миллиарда лет назад. 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 (H2 в химической расшифровке), микробы знали, что H2 является хорошим топливом с тех пор, как на Земле существовала жизнь. Водород - древняя энергия. Самые первые клетки на Земле жили от H2 производится в гидротермальных источниках с использованием реакции H2 с КО2 чтобы создать молекулы жизни.
Микробы, которые процветают в результате реакции H2 и КО2 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. Удивительные новые открытия о том, как первые клетки на Земле научились использовать H2 в качестве источника энергии в настоящее время представлены в ПНАС 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 получить энергию, клетки сначала должны вытолкнуть электроны из H2 энергично поднимаясь в гору. "Это все равно, что просить реку течь в гору, а не вниз по склону, поэтому клеткам нужны инженерные решения", - объясняет один из трех первых авторов исследования Макс Брабендер. То, как клетки решают эту проблему, было обнаружено 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 уходит далеко вниз, настолько далеко вниз, 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.2 расщепляется на поверхности железа, образуя протоны, которые поглощаются щелочной водой, и электроны, которые затем легко переносятся непосредственно в ферредоксин."
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 от 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 был создан H2 запряженный для совместного2 фиксирующие пути до появления сложных белков? "Металлы дают ответы, - говорит она, - на заре жизни металлы в древних условиях окружающей среды могли посылать электроны от H2 поднимаясь выше, мы можем увидеть реликты той изначальной химии, сохранившиеся в биологии современных клеток". Но одних металлов недостаточно. "H2 также должна вырабатываться окружающей средой", - добавляет соавтор Дельфина Перейра из лаборатории Прейнера. Такие среды встречаются 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, генерируют2 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. "Во многих процессах в химической промышленности используется H2 чтобы в ходе реакции получать металлы из минералов". Удивительно то, что природа тоже делает это, особенно в гидротермальных источниках, и что это естественно отложившееся железо могло сыграть решающую роль в зарождении жизни.
Железо было единственным металлом, идентифицированным в новом исследовании, который был способен посылать электроны в H2 в гору к ферредоксину. Но 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 заполнить важный пробел в понимании сложного процесса происхождения, и что сегодня мы можем наблюдать, как эти реакции протекают в условиях древних гидротермальных источников в лаборатории".
Комментарии