Около 4,33 млрд лет назад на молодой Земле могли одновременно существовать два условия, необходимые для возникновения первых биологических систем: достаточно стабильная среда и активные источники химической энергии. К такому выводу пришли ученые во главе со старшим научным сотрудником Планетологического института США Олегом Абрамовым. Их исследование опубликовано в Nature Communications.

Раньше Землю регулярно «стерилизовали» удары

После формирования Земля оставалась крайне неспокойным местом. Астероиды, кометы и планетезимали постоянно сталкивались с планетой, нагревая и расплавляя ее поверхность. Такие события могли уничтожать молекулы, необходимые для развития пребиотической химии.

Исследователи создали трехмерную модель, которая показывает, как менялось тепловое состояние земной коры в период от 4,5 до 3,5 млрд лет назад. Для этого они использовали данные о лунной кратерной летописи и содержании высокосидерофильных элементов в верхней мантии Земли, а также разные оценки количества материала, падавшего на планету.

Затем полученные температуры сравнили с пределами стабильности РНК и других молекул, которые могли участвовать в химических процессах, предшествовавших жизни.

Модель показала, что примерно до 4,4 млрд лет назад даже участок коры, успевший остыть, мог снова нагреться после очередного крупного столкновения. Для пребиотической химии это было серьезной проблемой: молекулам требовалось не просто короткое окно подходящих условий, а достаточно длительный период стабильности.

После 4,4 млрд лет назад ситуация начала меняться. В земной коре появились области, которые после остывания уже не нагревались выше критической температуры. Авторы назвали их «никогда не стерилизованными» регионами.

Лучшие условия возникли около 4,33 млрд лет назад

Доля таких стабильных участков постепенно увеличивалась по мере ослабления бомбардировки. К 4,25 млрд лет назад они занимали уже более половины смоделированного объема коры.

При этом ученые не считают падение астероидов и других тел исключительно разрушительным фактором. После столкновений в породах сохранялось тепло, а вода, проходящая через нагретую и раздробленную породу, могла формировать гидротермальные системы.

Такие системы объединяют несколько условий, которые потенциально важны для возникновения жизни: жидкую воду, тепло и источники химической энергии. Поэтому снижение интенсивности глобальной стерилизации могло совпасть с сохранением локальных сред, где продолжались химически активные процессы.

Именно это сочетание оказалось особенно интересным для исследователей. Около 4,3 млрд лет назад модель показывает большое количество связанных между собой гидротермальных систем, возникших после ударов, тогда как стабильные участки коры уже достаточно широко распространились.

«Мир РНК» мог получить необходимое время

Одним из главных кандидатов на раннюю стадию возникновения жизни считается гипотеза «мира РНК». Согласно ей, до появления современной системы, основанной на ДНК и белках, ключевую роль могли играть молекулы РНК.

РНК способна одновременно хранить генетическую информацию и участвовать в химических реакциях, включая процессы, связанные с репликацией. Но для возникновения и развития такой системы недостаточно, чтобы подходящие молекулы время от времени появлялись в благоприятных условиях. Им необходимо было сохраняться достаточно долго, взаимодействовать друг с другом и участвовать в последовательных химических реакциях.

Именно поэтому исследователи искали момент, когда разрушительные последствия ударов перестали полностью перекрывать потенциально благоприятные условия.

По расчетам команды Абрамова, Земля могла стать пригодной для самых ранних этапов жизни примерно между 4,4 и 4,3 млрд лет назад. Оптимальным оказался период около 4,33 млрд лет назад — достаточно поздний, чтобы на планете появились устойчивые области, но еще достаточно ранний, чтобы удары небесных тел продолжали создавать многочисленные гидротермальные системы.

Это не означает, что жизнь действительно возникла именно тогда. Модель определяет период, когда на Земле впервые могло одновременно существовать сочетание условий, подходящих для пребиотической химии. Сам момент возникновения первых биологических систем остается неизвестным.