Сушка могла быть ключевым шагом в развитии жизни
150 лет назад Чарльз Дарвин предположил, что жизнь, вероятно, зародилась в тёплом маленьком пруду. Там, по его мнению, химические реакции и случайные удары молнии могли привести к образованию цепочек аминокислот, которые со временем становились всё сложнее, пока не появились зачатки жизни.
С тех пор исследователи изучают эту пребиотическую химию, пытаясь понять химические пути, которые могли привести от водоёма с простыми аминокислотами к бактериям, секвойям и людям. После серии экспериментов аспирант Хейли Бойгенцалн и профессор Джон Инь из Университета Висконсин-Мэдисон объяснили, как мог произойти один из потенциально ключевых ранних шагов на пути к жизни. Результаты опубликованы в журнале Origins of Life and Evolution of Biospheres.
В знаменитом эксперименте Миллера-Юри 1952 года моделировались условия, предположительно существовавшие на пребиотической Земле, включая определённые соотношения воды, метана, водорода и других элементов. При воздействии электричеством, имитирующим молнии, реакция производила аминокислоты, что указывало на их широкое присутствие в то время.
«Мы знаем, что аминокислоты — это строительные блоки белков, а белки необходимы для жизни, — говорит Инь. — В пребиотической химии давно стоит вопрос: как мы могли заставить эти молекулы образовывать связи и цепочки таким образом, чтобы в итоге привести к живой клетке? Вопрос сложен, потому что конкретная химия, участвующая в этом, обычно не работает в присутствии воды».
В своём эксперименте Бойгенцалн исследовала, могли ли аминокислоты соединяться в периоды изменения окружающей среды — например, при испарении водоёма. В присутствии химического активатора аминокислоты могут связываться в пептиды — короткие цепочки.
Чтобы изучить этот процесс, был создан раствор аминокислоты глицина и триметафосфата — активатора, естественным образом образующегося при вулканических процессах. Используя нагреватель для испарения раствора, Бойгенцалн наблюдала за происходящим в течение 24 часов.
Был обнаружен двухэтапный процесс:
- На первом этапе, когда pH раствора был щелочным, глицин объединялся в двухмолекулярные единицы — димеры. Этот процесс также производил протоны, делая pH раствора нейтральным.
- На втором этапе, по мере испарения, димеры начали связываться, образуя более длинные пептидные цепи — олигоглицин.
Легко представить сценарий, в котором аминокислоты в подогреваемом вулканом горячем источнике, содержащем активатор, сначала объединяются в димеры. Затем, по мере испарения воды и изменения её химического состава, димеры связываются и начинают формировать более длинные цепочки.
«Мы показываем, что для реакций не обязательно должна быть одна и та же среда, — говорит Бойгенцалн. — Они могут происходить в разных условиях, при условии, что происходящие реакции помогают создать среду, благоприятную для следующих шагов».
В результате множества циклов «смачивания-сушки» пептидные цепи могли становиться всё длиннее. В конечном итоге они могли начать сворачиваться, образуя ферменты — белки, катализирующие химические реакции. Это могло подготовить почву для более сложных белков и начала метаболизма.
Исследователи признают, что до понимания возможного пути от «тёплого пруда» Дарвина до зарождения жизни ещё далеко. Однако изучение пребиотической химии может принести большие дивиденды.
«Если вы действительно поймёте эту химию, которая отличается от традиционной биологии, в конечном итоге вы сможете создавать химические системы, способные хранить информацию, адаптироваться и эволюционировать, — говорит Инь. — ДНК хранит информацию в тысячи раз плотнее, чем компьютерный чип. Если бы мы могли получить системы, которые делают это, не будучи обязательно живыми клетками, то можно начать думать о всех видах новых функций и процессов на молекулярном уровне».