Найден недостающий компонент для зарождения жизни из неживой химии
Переход от простой химии к сложной биологии молекул, породивших жизнь, — загадка, над которой ученые бьются уже много лет.
Новое исследование в журнале PNAS предполагает, что условия на Земле примерно 4,3 миллиарда лет назад были благоприятны для естественного образования РНК — первой информационной молекулы, способной поддерживать биологические процессы и эволюцию.
В то время атмосферу планеты составляли в основном углекислый газ, азот, водяной пар и диоксид серы, которые химически восстанавливались под воздействием мощных астероидных ударов. Это создавало временные условия, благоприятствовавшие спонтанному синтезу РНК.
Неожиданным открытием стала роль боратов. Предполагалось, что эти минералы должны мешать ключевым пребиотическим процессам, связывая важные компоненты и блокируя дальнейшие реакции. Но в экспериментах борат оказал противоположный эффект — он способствовал протеканию химических реакций, устраняя побочные продукты и поддерживая уровень pH, необходимый для синтеза РНК.
Пересмотр гипотезы РНК-мира
В пребиотической химии существует несколько гипотез, пытающихся объяснить, что возникло раньше и какие процессы запустили формирование биомолекул, в итоге приведшее к жизни. Одна из таких теорий — гипотеза РНК-мира, предполагающая, что РНК появилась раньше ДНК и белков, выполняя роль как химического катализатора, так и генетического шаблона. Согласно ей, первые формы жизни основывались на способности РНК к самовоспроизведению.
В новой работе исследователи изучили модель прерывистого синтеза (DSM), объясняющую, как РНК могла образоваться в реальных условиях ранней Земли или раннего Марса, когда жизнь только начинала формироваться.
Модель включает шесть взаимосвязанных этапов: от преобразования газов в атмосфере ранней Земли в пентозные сахара (например, рибозу) до соединения предшественников нуклеотидов РНК в цепочки через катализ на поверхности вулканического базальтового стекла.
Предыдущие исследования подтвердили каждый из этих этапов в лабораторных условиях. Оставалось неясным, могут ли они протекать вместе в реальной природной среде без вмешательства человека.
Имитация условий ранней планеты
Ученые хотели проверить, совместимы ли все шесть этапов и могут ли они происходить в природной среде самостоятельно. Еще одним объектом научного внимания стал борат, который играет важную роль в нескольких стадиях DSM — от образования пятиуглеродных сахаров из простых углеводов до присоединения фосфатных групп к другим компонентам реакций.
В лаборатории воссоздали условия древней Земли, смоделировав подземные водные системы, окруженные настоящим вулканическим базальтом, которые периодически высыхали и затоплялись. Для проверки возможности непрерывного образования РНК помощи извне все ингредиенты смешали в одном в одном контейнере.
Эксперименты показали, что шестиэтапный путь DSM может протекать самостоятельно в подземных водоемах, богатых боратом и окруженных базальтовыми породами.
В условиях химического равновесия эти реакции превращают очень простые молекулы в цепи РНК длиной до 100–200 звеньев.
Изначально исследователи опасались, что борат может подавлять реакции, но эксперименты выявили, что этот минерал, напротив, стимулирует их и удаляет ненужные побочные продукты.
Эти открытия могут приблизить нас к разгадке тайны происхождения жизни.
