Могли ли термодинамические флуктуации привести к возникновению жизни?

В области абиогенеза учёные исследуют несколько путей, по которым жизнь могла возникнуть из неживой материи. Любая теория абиогенеза должна объяснять два важных аспекта жизни: репликацию (способность передавать мутации потомству) и метаболизм (химические реакции, необходимые для жизнедеятельности). Однако учёные также подчёркивают важность ещё одной ключевой черты, необходимой для дарвиновской эволюции: отбора, то есть репликации мутаций, дающих эволюционное преимущество.

Химические системы могут обладать способностью к репликации и метаболизму, но сами по себе они не подвергаются отбору: более активные молекулы не реплицируются чаще других, а полезные мутации не наследуются потомством. Следовательно, для возникновения конкуренции и эволюционного давления, вероятно, требуется какой-то физический процесс.

Физик Дориано Брогиоли предложил уникальный подход, согласно которому ответ может заключаться в термодинамических флуктуациях. Эти флуктуации — изменения числа молекул в заданном объёме из-за теплового движения — могут сделать отбор эффективным, приводя к увеличению числа молекул с эволюционным преимуществом.

Исследуя химические системы, обладающие свойством «химической маргинальной устойчивости», Брогиоли показал, что термодинамические флуктуации вызывают не только случайное блуждание, но и дрейф, направленный в сторону увеличения эффективности репликации.

Этот дрейф представляет собой раннюю форму эволюции, которая происходила до того, как мембраны начали окружать химические системы. Позже мембраны взяли на себя роль определения конкурирующих сущностей. Если термодинамические флуктуации действительно играли роль отбора в ранней жизни, это решает проблему одновременного возникновения реплицирующих химических веществ и окружающих их мембран.

С кинетической точки зрения, системы, способные передавать мутации потомству, можно рассматривать как системы с множественными стационарными состояниями (химическая маргинальная устойчивость). Они отличаются от простых «самокаталитических» систем, которые лишь производят потомство без передачи мутаций.

Аналогия: шарик на плоской поверхности, где любая точка является стационарной. Если его сдвинуть, он останется в новой точке, а не вернётся назад, поскольку нет возвращающей силы. Так и спонтанные концентрационные флуктуации могут позволить химической системе унаследовать различные мутации от родительской системы.

Математическое изучение термодинамических флуктуаций во времени показало, что если присутствуют две репликазы, R1 и R2, то более эффективная (например, R2) начинает увеличиваться в количестве и становится доминирующей. В объёмах с более высокой концентрацией R2 будет происходить больше репликаций, и большая их доля будет приходиться на R2. Затем из-за случайных мутаций может возникнуть ещё более эффективная репликаза, и её концентрация также начнёт расти.

На данный момент этот дрейф подтверждён только численными расчётами и считается теоретическим. Большинство химических систем с репликазой не обладают химической маргинальной устойчивостью и поэтому не подвержены влиянию термодинамических флуктуаций. Однако исследование показывает, что существование химической системы, которая является маргинально устойчивой и может подвергаться спонтанной эволюции, возможно.

Демонстрация такой системы в лаборатории стала бы не только первым экспериментом, в котором химическая система претерпевает спонтанную эволюцию, но и первой in vitro моделью химической реакции, ведущей к жизни.