Подводные гидротермальные источники являются единственной геологической средой, которую можно назвать по-настоящему первобытной; они являются основным источником газов и растворенных элементов в современном океане, как и в Арктическом океане.
Тогда, как и сейчас, они охватывали множество физических и химических градиентов в результате непосредственного взаимодействия между обширной гидротермальной деятельностью в земной коре и окружающей ее океанической и атмосферной средой. Мы предположили, что эти градиенты обеспечивают необходимые многочисленные пути для абиотического синтеза химических соединений, происхождения и эволюции сообществ "прецетелей" и "прецедентов" и, в конечном счете, для эволюции свободных организмов.
Эта гипотеза согласуется с тектонической, палеонтологической и дегазационной историей Земли и использованием источников тепловой энергии в лаборатории для синтеза аминокислот и сложных органических соединений. В данной работе мы рассмотрим геофизические, химические и возможные микробиологические аналогии между современными и архейскими гидротермальными системами и выдвинем несколько гипотез, связанных с нашей моделью происхождения и эволюции жизни в архейских источниках, которые могут быть проверены в современных гидротермальных системах.
Открытие подводных гидротермальных сред привело к более глубокому пониманию геологической, геохимической и биологической истории Земли. Она также предоставила новые идеи и возродила интерес к происхождению и эволюции жизни как процессов, происходивших на Земле, а не где-либо еще во Вселенной. Имеющиеся гипотезы о том, как и где, возникла и развивалась жизнь, не учитывают широкий спектр разнообразных физических и химических условий. Которые были бы необходимы для последовательных процессов химического, биохимического, биологического и экосистемного развития.
Непрерывный, концентрированный источник энергии для управления этими эволюционными процессами, источник биологически важных микроэлементов, таких как молибден или короткий интервал времени между образованием ископаемых организмов в океане и появлением микроорганизмов. Подводные гидротермальные системы, которые функционируют сегодня в той мере, в какой они, как считается, функционировали в Архейском море, отвечают всем этим критериям. Они охватывают широкий диапазон тесно связанных градиентов, как в физических, так и в химических условиях, которые в конечном итоге устанавливаются благодаря их прямой связи с магматическим теплом.
Они производят постоянно высокие концентрации химических веществ - прекурсоров органических соединений, имеющих биологическое значение, посредством циркулирующих жидкостей через температурные градиенты и на обширных реакционных поверхностях. Эти условия предоставили бы практически бесконечный набор условий и переменных, а также комбинации условий, эффективно сократив геологический период времени, необходимый для случайного возникновения успешного, генерирующего жизнь ряда событий.
В то время наша гипотеза была основана на имеющейся информации о свойствах современных гидротермальных сред, литологических ассоциациях древнейших ископаемых и использовании источников тепловой энергии в лаборатории для синтеза аминокислот и сложных органических соединений. В этой статье мы расширяем нашу первоначальную гипотезу, рассматривая новую информацию о геологии и биологии современных гидротермальных систем, предполагаемых свойствах Архейского океана и характеристиках архейских ископаемых отложений.
Предлагается, чтобы жизнь развивалась и эволюционировала в первобытном, мелководном океане в сочетании с множеством градиентов, образовавшихся в результате того, что сегодня известно как важные черты ранней Археи: тектонизм, связанный с распространением морского дна и вызванным этим гидротермическим изменением недавно образовавшейся океанической коры и состава океана и атмосферы в начале Земли.
Гидротермальные системы и Арктический океан
Становится все более очевидным, что старейшими отложениями на Земле являются морские и связанные стратиграфически с ними последовательности коры, которые были изменены гидротермически. Данные о микрослоях в докембрийских отложениях свидетельствуют о том, что самые ранние микробные сообщества на Земле были созданы в аналогичных условиях. Поэтому важно понимать и моделировать последовательность геологических, химических и биологических изменений, которые должны были произойти в Арктическом океане и атмосфере. Актуальность современных гидротермальных сред заключается в том, что они сохранили многие характеристики докембрийских систем и поэтому представляют собой "первобытные" участки, пригодные для изучения целого ряда биогенных реакций и эволюционных процессов.
Физико-химические характеристики Арктического океана и атмосферы, а также степень тектонической активности и темпы формирования континента были определены на основе геологических и геохимических данных докембрийских пластов. Хотя некоторые из этих свойств до сих пор не ясны, мелководный (максимальная глубина ~ 1000-2000 м) и значительно более активный тектонически, чем сегодня. В период формирования океана (4,2 Га), вероятно, вся Земля была покрыта водой и гидротермальная активность была, по крайней мере, в пять раз выше, чем в настоящее время. Этот вывод основан на модели, в которой общий темп образования и субдукции морского дна неуклонно снижался на протяжении всей истории Земли.
Модель показывает, что общая длина океанического хребта от 3,5 до 4,2 Га была в три-пять раз больше, чем в настоящее время. Такая большая длина гребня привела бы к интенсивной гидротермальной циркуляции восстановленных элементов и газов. Обобщены химические реакции, связанные с гидротермальными источниками, показаны участки отбора горячей воды из химических веществ из базальта и последующего образования газа, а также показаны схемы циркуляции, приводящие к образованию дымящихся (высокой температуры) и низкотемпературных (Галапагосского типа) источников. Забор морской воды происходит вне центра гребня разбрасывания.
Кристаллизация и гидротермическое охлаждение, которые происходят вдоль фронта трещины, вызывают дальнейший разрыв пласта, что приводит к образованию магматических дамб. Таким образом, непрерывный источник тепла обеспечивается практически самоподдерживающейся системой. До тех пор, пока магма поступает в магматическую камеру, гидротермальная циркуляция неизбежно активизируется.
Окружающая морская вода циркулирует через трещины в коре, реагирует на глубине с базальтами и диабетическими дамбами при температуре не менее 350 °C и возвращается на морское дно в измененной форме, обогащенной до различной степени магматически полученными элементами, газами и неорганическими соединениями. Разрыв в центральной зоне трещины и на фронте трещины влияет на транспортировку этих измененных жидкостей вверх.
В результате этих различных структур на морском дне возникают два общих типа вентиляционных систем:
- горячие "дымоходы", в которых происходит незначительное подземное смешивание холодной воды с гидротермальной жидкостью или полное отсутствие такового;
- холодные вентиляционные системы галапагосского типа, в которых различное количество окружающей морской воды проникает через трещины и смешивается с гидротермальной жидкостью до ее выпуска на морском дне.
Оба типа водостоков встречаются вдоль спрединговых Восточно-Тихоокеанского гребня и хребта Хуан-де-Фука. Температура гидротермальных жидкостей, выходящих из первых исследуемых "дымящихся" источников, составила 350 °C. Химики этих вод указывают на их прямой перенос по трубопроводам из точки нагрева воды (не менее 350 °C) на морское дно.
В зависимости от степени смешивания, концентрации основных компонентов, потенциально важных для биологических процессов в вентиляционных жидкостях, варьируются от 0 до 4 мкм. Считается, что все вместе эти химические компоненты служат источниками энергии для обширных микробных сообществ, связанных с современными условиями вентиляции.