Как миллиарды лет тому назад в токсичных и «негостеприимных» условиях на нашей планете могла возникнуть жизнь, по-прежнему для учёных остаётся загадкой.
Исследователи неоднократно моделировали условия ранней Земли в пробирках, тщательно «вылепливая» некоторые из основных «ингредиентов» жизни. Но как эти «ингридиеныт» могли объединиться в живые клетки, и как они смогли впервые произвести энергию, учёным не известно.
Новое исследование, проводимое под руководством Laurie Barge из Лаборатории реактивного движения, демонстрирует уникальный способ изучения происхождения жизни – топливные элементы.
Топливные элементы – это специализированные электрохимические устройства. Ими оснащаются некоторые автомобили, самолёты и космические корабли NASA. Клетки похожи на аккумуляторные батареи, используемые для выработки электроэнергии и мощности, которые нуждаются в топливе, таком как газообразный водород. В рамках нового исследования, топливные элементы используются не для создания мощности, а для тестирования химических реакций, которые, как полагают, привели к возникновению жизни.
По мнению Laurie Barge, одним из важных факторов зарождения жизни на Земле стало то, что планета аккумулируют электрическую энергию на дне океанов. По её словам, эта энергия, возможно, послужила толчком к началу жизни. Теперь у учёных есть возможность протестировать различные материалы и среды, которые, вполне возможно, могли способствовать возникновению жизни не только на Земле, но и на Марсе, Европе и в других местах Солнечной системы.
Laurie Barge –член команды JPL Icy Worlds, в которую входят и другие сотрудники Astrobiology Institute. Команда проводила исследования, результаты которых были 13 марта 2014 года опубликованы в журнале «Astrobiology», в Ames Research Center.
Одна из основные функций жизни, как известно, это способность аккумулировать и использовать энергию. В клетках это происходит за счет метаболизма (обмена веществ), который предусматривает перенос электронов от одной молекулы к другой. Это процесс непрерывно протекает в организме человека, снабжая его энергией.
Топливные элементы в этом подобны биологическим клеткам, электроны также переходят от одной молекулы к другой. В обоих случаях этот процесс приводит к выработке энергии и мощности. Топливным элементам для того, чтобы работать, необходимо «горючее», такое как газообразный водород, который наряду с электродами и катализаторами помогает передавать электроны. Электроны поступают от «донора» (например, водорода) к «акцепторам» (например, кислороду) в результате чего возникает ток. В клетках человеческого организма содержатся металлические ферменты – биологические катализаторы – которые передают электроны и производят необходимую для жизни энергию.
В эксперименте команды, электроды и катализаторы топливных элементов изготовлены из примитивного геологического материала, который, как полагают, существовал на ранней Земле. Если этот материал сможет передавать электроны, то исследователи получат возможность наблюдать за электрическим током. Тестируя различные типы материалов, эти эксперименты с топливными элементами позволяют учёным сузить химический диапазон, в рамках которого на Земле много миллионов лет тому назад могла зародиться жизнь.
По словам Terry Kee из University of Leeds (Великобритания), который является соавтором исследовательской работы, в рамках эксперимента он и его коллеги моделируют энергетические процессы, которые могли бы восполнить разрыв между геологическими процессами ранней Земли и возникновением биологической жизни на планете.
По словам Barge, эксперименты позволяют вернуться в прошлое, дабы протестировать конкретные минералы, содержащие железо и никель, которые были весьма распространены на ранней Земле и, возможно, привели к биологическому метаболизму.
Исследователи также протестировали материалы из маленьких выращенных в лабораторных условиях «труб», моделирующих огромные структуры, которые вырастают от гидротермальных источников океанов. Эти «химические сады» являются возможными областями преджизненных химических реакций.
Когда команда использовала в топливных элементах материал из выращенных в лаборатории «труб», им удалось обнаружить электрические потоки. По словам Barge, этот предварительный тест показал, что гидротермальные «трубы», сформировавшиеся на ранней Земле, способны передавать электроны, следовательно, могут управлять некоторыми из первых энергетических реакций, приведших к метаболизму.
Эксперименты также показали, что топливные элементы могут использоваться для проверки других материалов из ранней Вселенной. И если жизнь действительно существует на других планетах, то их условия также могут быть протестированы.
Barge отмечает, что учёные могут только предполагать о том, какие минералы существовали на раннем Марсе. По её словам, ввиду того, что топливные элементы модульные, их части без труда можно заменить другими, следовательно, этот метод можно использовать для исследования жизненного потенциал любой планеты.
В Лаборатории реактивного движения топливные элементы используются не только для исследования жизни, но и для разработок всего необходимого для длительных космических миссий. Водородные топливные элементы производят воду, которая может быть переработана и использована в качестве топлива снова. Исследователи экспериментируют с инновационными регенеративными топливными элементами, которые не только очень эффективны, но и обеспечивают долгосрочную мощность.
По мнению Thomas I. Valdez, который занимается разработкой регенеративных топливных элементов в Лаборатории реактивного движения, здорово осознавать, что топливные элементы нашли свое применение и в астробиологии.
