Обнаружены вероятные следы жизни возрастом 3,95 миллиарда лет

Рис. 1. Отложения на севере Лабрадора в Канаде (гранитоидный блок Сеглек), в которых найдены одни из самых древних остатков материковых пород — возрастом 3,95 млрд лет. a — пелитовые отложения, b — кварцитовые конгломераты, c — карбонатные породы с включениями кремнистых сланцев, d — кремнистые сланцы. Из всех этих пород удалось извлечь органические молекулы и графит и исследовать их свойства. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Японские геологи продолжили изучение древнейших остатков континентальной коры, определив их возраст как 3,95 млрд лет. Из этих образцов были извлечены органические молекулы, а также зерна графита, для которых измерено соотношение легких и тяжелых изотопов углерода. Во всех случаях легких изотопов в органике и графите оказалось заметно больше, чем в сопутствующих карбонатных минералах. Авторы работы считают, что это свидетельствует о биологическом фракционировании изотопов углерода и, следовательно, можно утверждать наличие жизни на раннеархейских континентах самой глубокой древности. Синхронность графитов с вмещающими породами доказывается совпадением температур кристаллизации графитов и температур образования характерных наборов минералов, а также спецификой залегания слоев с графитами. Авторы считают, что хемогенное фракционирование маловероятно, так как нет никаких минералов, оставшихся от необходимых для этого химических реакций.

Поиск древнейших следов жизни в современной науке считается задачей первоочередной важности. Она, очевидно, связана с загадкой происхождения жизни на планете. Тут важно не столько выдвигать правдоподобные гипотезы, сколько найти достойный внимания фактический материал, да еще как следует проработанный. На сегодняшний день самыми многообещающими в этом плане являются древнейшие осадочные породы Гренландии и северной Канады, возраст которых определен разными методами с относительной достоверностью как 3,7–3,95 млрд лет (см. T. Komyia et al., 2015. Geology of the Eoarchean, > 3.95 Ga, Nulliak supracrustal rocks in the Saglek Block, northern Labrador, Canada: The oldest geological evidence for plate tectonics).

В этих древнейших осадочных слоях в разное время находили следы присутствия жизни. Формация Исуа (северная Гренландия, 3,8 млрд лет) дала повод подозревать биологическое фракционирование изотопов углерода, обнаруженное при анализе зерен графита. В слоях формации возрастом 3,85 млрд лет на острове Акилиа (Akilia, южная Гренландия) также выявлены следы фракционирования изотопов углерода в графитах, что было интерпретировано как проявление жизни. Еще одна попытка установить по изотопному составу углерода присутствие жизни в гренландских породах возрастом 3,75 млрд лет связана с исследованием графитов формации Нуввуагиттук (Nuvvuagittuq; в ней, кстати, содержатся самые древние из известных на сегодняшний день остатков континентов возрастом 4,28 млрд лет).

В каждом из этих случаев синхронность графитов с вмещающими породами была так или иначе оспорена. Все графиты признаны более поздним привносом из вышележащих слоев, а также результатом наложения последующих тектонических событий (см., например, C. M. Fedo, M. J. Wighthouse, 2002. Metasomatic origin of quartz-pyroxene rock, Akilia, Greenland, and implications for Earth's earliest life). В связи с этим вполне понятен скептицизм, сопровождающий каждое новое сообщение о «древнейших следах жизни».

Недавнее сообщение о находке строматолитоподобных образований в формации Исуа немного снизило градус скептицизма (см. Найдены строматолиты возрастом 3,7 млрд лет — древнейшие следы жизни на Земле, «Элементы», 05.09.2016). Морфология этих слоистых структур вполне согласуется с характерными признаками строматолитовых нарастаний, так что она вполне доказательна. Правда, ни о каких окаменевших клеточных или внеклеточных образованиях или о признаках фракционирования изотопов углерода в сообщении не указано. Вероятно, потому, что они не были обнаружены (будь по-другому, об этом написали бы на первой странице). И графитовых зерен там тоже нет.

Журнал Nature дает возможность ознакомиться с новой попыткой доказать присутствие жизни в древнейших осадочных породах. Ее предприняли геологи из Японии (из Токийского университета, Университета Тохоку и Университета Киёку в Осаке). Их работа связана с древнейшими осадочными породами Лабрадора (блоки метаосадочных включений в более молодых метаморфизированных блоках). Так, прежде они выяснили, что здесь находятся самые древние (3,95 млрд лет) следы движения материков (см. уже упомянутую статью T. Komiya et al., 2015).

Прекрасный материал! Стоит присмотреться к нему на предмет следов жизни. В распоряжении ученых были образцы из пяти местонахождений, которые датируются возрастом 3,8–3,95 млрд лет. Три из пяти местонахождений сложены осадочными породами пелитового (в том числе и глинистого) облика, еще в одном исследовались кварцитовые конгломераты, и в последнем — кремнистые включения в карбонатных вмещающих слоях.

В тонких шлифах, сделанных для пород каждого из пяти изученных местонахождений, были видны не только обычные в таких случаях минералы — пирротин, гранат, кварц, биотит, — но и черные зерна графита различной формы (рис. 2). Эти графитовые образования ассоциировались с другими минеральными частицами: они присутствовали в виде включений (например, в кварце или гранате) или плотно прилегали к минеральным частицам. Как правило, графит может иметь как биогенное, так и хемогенное происхождение. В первом случае он должен иметь сильно облегченный изотопный состав по сравнению с другими карбонатсодержащими минералами. Именно это и проверили исследователи. Также их интересовал изотопный состав органических молекул, рассеянных в этих породах.

Рис. 2. Общий вид шлифов из двух разных регионов пояса древнейших осадочных пород Лабрадора. В шлифах обозначены различные минералы: пирротин (Po), гранат (Grt), кварц (Qtz), биотит (Bt), графит (graphite). Графит выглядит как черные включения разной формы. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

На рисунке 3 показаны измерения изотопного состава органического углерода в породах. Разброс в измерениях получился разным, и максимальный он для образцов пелитовых слоев. Важно, что изотопные соотношения во всех случаях показали явно повышенную долю легкого изотопа углерода ¹²С в органических соединениях по сравнению с неорганическим углеродом карбонатных материалов. Так что вполне возможно и биологическое происхождение этих органических молекул.

Рис. 3. Распределение изотопного состава органического углерода в разных осадочных образованиях: карбонатных породах (голубой), кремнистых желваках (серый), пелитовых отложениях (содержащих слоистые минералы, коричневый) и кварцитовых конгломератах (красный). Чтобы сделать измерения, органический углерод был экстрагирован из образцов с относительно высоким содержанием графита, а графитовые зерна исследовались отдельно. Полученные распределения сравниваются с изотопным составом органического углерода из формации Исуа. Также в нижней панели показана теоретическая амплитуда изотопного сдвига при разных метаболических процессах. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Но теперь полученные распределения следует сравнить с данными по графитовым зернам: в какую часть распределений они попадают?

Рис. 4. Графитовые зерна из разных осадочных образований. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Для образцов пелитовых пород изотопный состав графитов и органических молекул оказался более или менее сходным. Зато в кварцитовых конгломератах эти показатели заметно различались: в графитах были существенно более низкие значения. Цифры такие: в конгломератах −10,3‰ для органического углерода и от −26,1‰ до −33,6‰ для зерен графита; в пелитовых минералах −28,2‰ для органических молекул и от −19,3‰ до −30,8‰ для зерен графита. Опять же, есть основания подозревать здесь действие «живых сил».

Теперь, получив подтверждение, что и органические молекулы, и, тем более, графиты имеют облегченный изотопный состав углерода, нужно подтвердить синхронность органических материалов и графита с вмещающими породами. Кроме того, хорошо бы прикинуть и возраст самих графитов.

Для этого авторы работы применили известные приемы, благо образцы для этого подходили. Во-первых, рассмотрели, при каких температурах складывался тот набор минералов, который они определили в породах (в частности, относительный химический состав гранатов и биотита служит хорошим геотермометром). Средние оценки составили от 585 до 800°C для разных слоев (рис. 5). Определили также и температуру кристаллизации графита в соответствующих образцах: она дала диапазон средних значений 563–650°C.

Рис. 5. Модельные температуры, рассчитанные по минералам вмещающих пород (розовые полосы) и оценки температур для зерен графита в пелитовых породах (есть данные и для других местонахождений, они хуже согласуются друг с другом). Стрелки используются в тех случаях, когда нет возможности получить верхнюю границу температурного диапазона — тогда указано среднее для графита значение 650°C. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Так что температуры образования характерных минералов и кристаллизации графита примерно сходны для четырех из пяти местонахождений. Следовательно, они должны быть синхронны.

Возраст графитов напрямую определить невозможно. Но авторы работы, опираясь на особенности залегания пород, приходят к выводу, что поздний привнос органического материала можно исключить. Также они считают маловероятным, что фракционирование изотопов углерода происходило в результате химических реакций, так как никаких признаков возможных субстратов и продуктов таких реакций они не обнаружили.

Результаты этой работы заставляют не столько c радостью констатировать доказательство ранней жизни, сколько задуматься еще раз о тех методах и логических конструкциях, которыми мы умеем (умеем ли?) пользоваться. Почему в тех местах, где есть морфологические признаки бактериальной жизни, нет признаков облегченных изотопов углерода, и наоборот, там, где есть облегченный углерод, нет морфологических структур, указывающих на клеточную жизнь? Почему авторы работы сравнивают свои данные с углеродными показателями в Исуа, хотя существует известный скептицизм относительно их генезиса? И почему данные по распределению изотопов углерода в блоке Сеглек оказались столь похожими на Исуа, повторив в этом распределении даже два пика вместо одного? Значит ли это, что критика геологами гипотез происхождения графитов Исуа не стопроцентно обоснована? Или для блока Сеглек обоснования недостаточно надежны? Авторы данной работы все эти вопросы не обсуждают, так что читателям придется мучиться ними самостоятельно, используя собственные знания и собственные убеждения.

Однако в любом случае важно, что имеется фактический материал с подозрительной «биологической подписью», подлинность которой предстоит серьезно обсудить.

Источник: Takayuki Tashiro, Akizumi Ishida, Masako Hori, Motoko Igisu, Mizuho Koike, Pauline Méjean, Naoto Takahata, Yuji Sano, Tsuyoshi Komiya. Early trace of life from 3.95 Ga sedimentary rocks in Labrador, Canada // Nature. 2017. DOI: 10.1038/nature24019.

Елена Наймарк