Животът на нашата планета може да е започнал чрез процес, подхранван от хидротермални извори на океанското дъно преди милиарди години, и този процес продължава и днес.

В продължение на десетилетия лабораторни експерименти показваха, че подводните вулкани могат да преобразуват азотния газ в амоняк без никаква биологична помощ, но учените никога не са откривали досега доказателства, че това наистина се случва в природата. Изследователи, анализиращи скални ядра от дъното на Южнокитайско море, вече са документирали първите убедителни геоложки доказателства за тази реакция.

Чрез изследване на минерални жили, образувани дълбоко в океанската кора, екипът открива безпогрешен химически отпечатък, който само небиотични реакции биха могли да създадат. При темповете на производство, оценени в това проучване, преди появата на живота океаните биха могли да натрупат достатъчно разтворен азот, за да поддържат живот в рамките на около 250 000 години, което е миг в геологията.

Отдавна потвърдени в лаборатории, учените най-накрая откриват реални доказателства за подводни химични реакции, за които се предполага, че са улеснили живота на Земята.

В продължение на повече от 30 години лабораторни експерименти показват, че подводните вулканични системи могат да преобразуват азотния газ в амоняк, съединение, необходимо за изграждането на протеини и ДНК. Химията работи чудесно в чаши и съдове под налягане. Но когато са изследвани реални скали от морското дъно, явните признаци на тази реакция не са били открити никъде. Разминаването между това, което се е случвало в лабораториите, и това, което се е случвало в природата, е оставило разочароваща празнина в разбирането как ранната Земя е могла да осигури азотните съединения, от които животът се нуждае.

Сега, проучване, анализиращо скални ядра, взети от сондажи на дъното на Южнокитайско море, най-накрая преодолява тази празнина. Изследователите съобщават за първите убедителни геоложки доказателства, че тази реакция, наречена абиотична редукция на азота, действително протича в подводни хидротермални системи. Казано по-просто, горещите подводни вулканични отвори могат да превърнат инертния азотен газ във форма на азот, която живите същества могат да използват, и го правят без никаква помощ от биологията.

Откритието, описано в Nature Communications, превръща една теоретична възможност в документиран геоложки процес и предполага, че Земята може да е станала гостоприемна за живот много по-бързо, отколкото учените са смятали някога.

Защо никой не успява да установи това преди

Търсенето на тази реакция в природата е разочаровало учените от десетилетия, не защото не се случва, а защото химическият ѝ отпечатък се изтрива, преди някой да успее да я открие.

Амонякът, произведен дълбоко в океанската кора, трябва да се издигне нагоре през скали и седименти, преди да достигне морското дъно. По пътя тези течности се смесват с по-плитки води, които съдържат амоняк от биологични източници: разлагаща се органична материя, азотни съединения, разтворени в морска вода, и материал от седименти. Докато вулканичните течности излязат в океана, всеки амоняк от дълбоки химични реакции е разреден и заменен от азот, идващ от живите организми.

Изследователският екип, ръководен от учени от Китайската академия на науките и Университета на Алберта, разбира, че трябва да потърсят нещо съвсем друго. Вместо да вземат проби от течности, които вече са се смесили, те изследват хидротермалните жили. Това са пукнатини, пълни с минерали, които се образуват, когато горещи течности изтичат през напуканата скала, идвайки дълбоко под морското дъно. Тези геоложки жили действат като капсули на времето, запазвайки химическия подпис на течностите от дълбините, преди те да могат да бъдат замърсени от биологичния азот, падащ отгоре.

Схема (не е в мащаб), показваща абиотично намаляване на N2 в дълбоки флуиди, смесване на морска вода с дълбоки флуиди и промяна на океанската кора в хидротермални системи на средноокеанските хребетиСхема (не е мащабна), показваща абиотично намаляване на N2 в дълбоки флуиди, смесване на морска вода с дълбоки флуиди и промяна на океанската кора в хидротермални системи на средноокеанските хребети. Кредит: Z. Sun, L. Li и др., Nature Communications

Химическият подпис, който показа абиотичната реакция

Скални ядра от обект, наречен Hole U1502B, пробита в морската дънна кора на възраст между 16 и 32 милиона години, разкрива следата, която екипът търси.

Азотните атоми се срещат в два вида: по-лека и по-тежка версия. Съотношението между тези две форми действа като пръстов отпечатък, разкривайки откъде идва азотът и какво се е случило с него по пътя. Азотът от биологични източници, видът, който идва от разлагащи се морски същества или е разтворен в океанска вода, има отличителен белег, който учените могат лесно да разпознаят. Същото важи и за азота от дълбоките недра на Земята.

Най-дълбоките проби от жилите имат характеристики, различни от който и да е от тези два източника. Азотът е далеч по-лек от всичко, което биологичните процеси биха могли да произведат, и дори по-лек от този, който идва директно от мантията. Нещо е отнемало повечето тежките азотни атоми.

Според изследователите причината е химическата реакция, която търсят. Когато азотният газ срещне богати на желязо минерали в горещи условия, по-леките азотни атоми реагират по-лесно от по-тежките. Това сортира азота по тегло, концентрирайки леките атоми в амонячния продукт, докато тежките атоми остават в останалия газ. Екстремното сортиране, наблюдавано в пробите U1502B, съответства на това, което теорията предвижда за тази реакция.

Моделът в скалните ядра потвърждава истината. Най-дълбоките проби показват най-лекия азот и най-високите концентрации. Придвижвайки се към повърхността, пробите стават все по-тежки и съдържат по-малко азот. Този градиент проследява границата, където дълбоките вулканични течности, носещи абиотичен амоняк, се смесват с течности, носещи биологичен азот от морска вода, точно това, което изследователите очакват да открият.

Как скалите произвеждат амоняк

Реакцията се основава на богати на желязо минерали, които са често срещани в океанската кора. Когато гореща вода, съдържаща разтворен азотен газ, се сблъска с тези минерали, желязото разделя азотните молекули. Азотният газ е известен със своята стабилност, защото двата му атома са свързани заедно чрез изключително силна връзка, една от най-силните в природата. Желязото осигурява химическия натиск за разкъсване на тази връзка. След като се освободят, азотните атоми се свързват с водород от околната вода, за да образуват амоний, азотно съединение, което може да се разтвори в морска вода и в крайна сметка да се включи в живите организми.

Химическата реакция, образуваща амоний. Кредит: Wikimedia Commons

В тази система непрекъснато се подава азотен газ. Вулканичната активност в средноокеанските хребети освобождава азот от земните недра, осигурявайки суровина за реакцията, където горещи флуиди циркулират през желязосъдържащи скали.

Запълването на океана с амоний

Въз основа на своите измервания, изследователите изчисляват, че тази реакция може да доставя значително количество амоний в океаните всяка година, приблизително сравнимо с общото количество азотен газ, който вулканите отделят от земните недра. В днешните океани, които вече съдържат огромни количества разтворени азотни съединения, този принос едва се отчита.

На ранната Земя ситуацията е била съвсем различна. Преди да се е развил животът, океаните вероятно са съдържали много малко разтворен азот в използваема форма. При темповете на производство, оценени в това проучване, и като се вземе предвид азотът, който се абсорбира обратно в скалите на морското дъно, изследователите изчисляват, че пребиотичните океани биха могли да натрупат достатъчно разтворен азот, за да достигнат съвременните нива, за около 250 000 години.

За да се постави този период в перспектива, 250 000 години в сравнение с 4,5-милиардната история на Земята, е колкото около половин час в сравнение с една календарна година. В геоложки мащаб океаните биха могли да се напълнят с животоподдържащ азот почти мигновено.

Условията на ранната Земя вероятно са направили този процес още по-продуктивен. Кората на младата планета е съдържала повече богати на желязо скали, които задвижват реакцията. Повече от тези скали са означавали повече възможности за превръщане на азотния газ в амоняк.

Амонякът, задържан в древни минерали, показва, че химическата реакция е осигурила ключови хранителни вещества за най-ранните живи организми на Земята. Unsplash

Процес, стар милиарди години

Доказателства, че тази реакция е протичала през цялата история на Земята, вече съществуват в научната литература, макар че пълното ѝ значение може да не е било оценено. Вулканични скали от дъното на Тихия океан, датиращи отпреди 130 до 170 милиона години, показват същата лека азотна сигнатура. Същото важи и за скалите от Атлантическия океан, датиращи отпреди 120 милиона години.

Най-интригуващите доказателства идват от минерали, които са на 3,5 милиарда години, образувани, когато Земята е била едва милиард години в своето съществуване. Амонякът, затворен в малки течни джобчета в тези древни минерали, носи издайническия подпис на абиотично производство. Това предполага, че реакцията вече е протичала, когато животът на Земята едва е зараждал, потенциално осигурявайки важен източник на хранителни вещества за най-ранните организми.

Неуспехът да се открие този процес в съвременните вулканични течности сега е логичен. Когато учените вземат проби от тези течности, те събират материал от плитката, смесена зона, където доминира биологичният азот. Абиотичният белег остава скрит в дълбочина, запазен само в минерали, образувани от дълбоки течности, преди смесването. Изследователите го откриват, търсейки на място, за което никой не се беше сетил да провери.

Амонякът също така задържа топлината в атмосферата, функционирайки като парников газ. Младото Слънце е било по-слабо, отколкото е днес, но геоложки доказателства сочат, че ранната Земя е била достатъчно топла за течна вода. Учените отдавна се питат как планетата е останала топла под по-слабо Слънце. Ако подводните вулканични системи са доставяли амоняк на ранните океани със скоростта, която показва това проучване, част от този амоняк би могъл да изтече в атмосферата и да помогне за затоплянето на планетата.

Преходът от лабораторни демонстрации към геоложки изследвания запълва десетилетна празнина между теорията и наблюденията. Химичният процес, който произвежда амоняк от вулканична топлина и богати на желязо скали, не е възможен само по принцип. Новите доказателства, заедно с по-стари улики, предполагат, че този химичен процес вероятно е бил активен в много подводни вулканични системи през по-голямата част от историята на Земята. Много преди индустриалните фабрики да се научат да произвеждат амоняк за тор, планетата го е правила по естествен път, запасявайки океаните с една от основните съставки на живота.

Справка: Sun, L., Li, K., Sun, Z., Zhang, Y. & Li, L. „Abiotic N₂ reduction in submarine hydrothermal systems could quickly fertilize prebiotic oceans,” published November 28, 2025; Nature Communications DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65711-1 

Източник: Scientists Find First Natural Evidence Of Chemical Reaction That May Have Made Life On Earth Possible, StudyFinds