Происхождение жизни: началась ли дарвиновская эволюция до самой жизни?

Исследование физиков из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (LMU) демонстрирует, что фундаментальные характеристики мономерных молекул, такие как состав их субъединиц, достаточны для запуска процессов отбора в правдоподобной пребиотической среде.

До появления жизни на Земле многие физико-химические процессы были хаотичными. Присутствовало множество малых соединений и полимеров разной длины, состоящих из субъединиц (например, оснований, найденных в ДНК и РНК), во всех возможных комбинациях. Прежде чем могли возникнуть жизнеподобные химические процессы, уровень хаоса в этих системах должен был уменьшиться. Новое исследование группы физиков LMU под руководством Дитера Брауна показывает, что базовые свойства простых полимеров вместе с определенными аспектами пребиотической среды могут порождать процессы отбора, снижающие беспорядок.

Предыдущие исследования и проблема хаоса

В более ранних работах группа Брауна изучала, как пространственный порядок мог развиться в узких, заполненных водой полостях пористых вулканических пород на морском дне. Эти исследования показали, что при наличии перепадов температур и конвекционного явления, известного как эффект Соре, цепи РНК могли локально накапливаться на несколько порядков величины в зависимости от длины. "Проблема в том, что последовательности оснований более длинных молекул, которые получаются, совершенно хаотичны", — говорит Браун.

Эволюционировавшие рибозимы (РНК-ферменты) имеют очень специфическую последовательность оснований, позволяющую молекулам складываться в определенные формы, в то время как подавляющее большинство олигомеров, образовавшихся на ранней Земле, вероятно, имели случайные последовательности. "Общее число возможных последовательностей оснований, известное как 'пространство последовательностей', невероятно велико", — говорит Патрик Куделла, первый автор нового отчета. Это делает практически невозможной сборку сложных структур, характерных для функциональных рибозимов, путем чисто случайного процесса. Это привело команду LMU к предположению, что удлинение молекул с образованием более крупных "олигомеров" было подвержено некоему механизму предварительного отбора.

Механизмы отбора в пребиотических условиях

Во время происхождения жизни существовало лишь несколько очень простых физических и химических процессов по сравнению с совершенными механизмами репликации клеток, поэтому отбор последовательностей должен был основываться на окружающей среде и свойствах олигомеров. Для каталитической функции и стабильности олигомеров важно, чтобы они образовывали двойные цепи, подобные известной спиральной структуре ДНК. Это элементарное свойство многих полимеров, позволяющее формировать комплексы как с двухцепочечными, так и с одноцепочечными участками.

Одноцепочечные участки могут восстанавливаться двумя процессами:

1. Полимеризация — цепи достраиваются отдельными основаниями до полных двойных цепей.
2. Лигирование — более длинные олигомеры соединяются вместе. При этом образуются как двухцепочечные, так и одноцепочечные участки, что позволяет олигомеру расти дальше.

Эксперимент и результаты

"Наш эксперимент начинается с большого количества коротких цепей ДНК, и в нашей модельной системе для ранних олигомеров мы используем только два комплементарных основания — аденин и тимин", — говорит Браун. Исследователи предположили, что лигирование цепей со случайными последовательностями приводит к образованию более длинных цепей, чьи последовательности оснований менее хаотичны.

Группа Брауна проанализировала полученные в экспериментах смеси последовательностей с помощью метода, также используемого при анализе генома человека. Тест подтвердил, что энтропия последовательностей, то есть степень беспорядка или случайности внутри них, действительно снизилась.

Исследователи также смогли определить причины этого "самогенерируемого" порядка. Они обнаружили, что большинство полученных последовательностей попадает в два класса — с составом оснований либо 70% аденина и 30% тимина, либо наоборот. "При значительно большей доле одного из двух оснований цепь не может свернуться сама на себя и остается реакционным партнером для лигирования", — объясняет Браун. Таким образом, в реакции почти не образуются цепи с равной долей каждого из двух оснований.

"Мы также видим, как небольшие искажения в составе пула коротких ДНК оставляют отчетливые позиционно-зависимые паттерны мотивов, особенно в длинных продуктах-цепях", — говорит Браун. Результат удивил исследователей, потому что цепь всего из двух разных оснований с определенным соотношением имеет ограниченные возможности для дифференциации. "Только специальные алгоритмы могут обнаружить такие удивительные детали", — говорит Анналена Зальдитт, соавтор исследования.

Вывод

Эксперименты показывают, что самые простые и фундаментальные характеристики олигомеров и их среды могут служить основой для селективных процессов. Даже в упрощенной модельной системе могут вступать в игру различные механизмы отбора, которые влияют на рост цепей на разных масштабах длины и являются результатом разных комбинаций факторов. По словам Брауна, эти механизмы отбора были предпосылкой для образования каталитически активных комплексов, таких как рибозимы, и поэтому сыграли важную роль в возникновении жизни из хаоса.