Как жизнь возникла на Земле из множества неживых молекул, до сих пор остается загадкой. Эксперименты могут показать нам, как могли произойти ключевые шаги, но на каждый такой скачок вперед приходят непонятные тупики.
Вода, например, с самого начала кажется неотъемлемым компонентом жизни. Тем не менее, процесс выращивания некоторых из самых жизненно важных компонентов жизни вызывает сомнения.
«Мы знаем, что аминокислоты являются строительными блоками белков, а белки необходимы для жизни. В пребиотической химии долгое время стоял вопрос о том, как мы можем заставить эти вещи образовывать связи и цепочки таким образом, чтобы в конечном итоге создать живую клетку», — говорит биохимик из Университета Висконсин-Мэдисон Джон Инь.
Преобладающая теория со времен Чарльза Дарвина состоит в том, что жизнь возникла из определенно влажного «первичного бульона», что затрудняет согласование точной роли воды в происхождении этих первых устойчивых самовоспроизводящихся реакций.
Поэтому инженер-химик из Университета Висконсин-Мэдисон Хейли Бойгензан провела исследование смоделированной меняющейся окружающей среды, которая менялась между влажными и сухими условиями, которые легко воспроизводятся в природе с приливами и циклами дня и ночи, а также с изменением погоды.
Команда Бойгензан объединила ряд аминокислот, которые оказалось довольно легко производить естественным путем. Будучи строительными блоками белков — единицами, которые могут выполнять механическую работу живых процессов, — получившиеся структуры вполне могут играть важную роль в ранних формах биологии.
К сожалению, заставить эти единицы соединиться в более длинные цепочки — непростая задача. В данном случае исследователи использовали аминокислоту глицин. Затем они добавили в свой суп триметафосфат — молекулу, естественным образом образующуюся в вулканах. Наконец, суп был приправлен гидроксидом натрия (NaOH), чтобы повысить его рН.
И вот, в течение первого часа эксперимента глицин образовал молекулу из двух единиц, называемую димером. Эта реакция высвобождает протоны, которые, в свою очередь, нейтрализуют рН, необходимый для димеризации, эффективно тормозя весь процесс.
Как было обнаружено в предыдущих исследованиях, по мере того, как рН раствора становился более нейтральным, димеры медленно начинали связываться друг с другом в более длинные цепочки. Однако по мере высыхания раствора скорость реакции увеличивалась, возможно, из-за концентрации молекул, сближающихся друг с другом, подозревают ученые.
«Здесь мы показываем, что среда не обязательно должна быть одной и той же на протяжении всех реакций», — говорит Бойгенцан. «Они могут происходить в разных средах при условии, что происходящие реакции помогают создать среду, благоприятную для следующих шагов».
Цикл переходов между влажными и сухими условиями может превратить молекулу в более сложные белки, некоторые из которых могут способствовать другим химическим реакциям, происходящим в жизни.
«Тот факт, что эти механизмы реакции были известны в течение многих лет, а связь между ними была недостаточно оценена, предполагает, что, возможно, стоит уделить больше внимания влиянию предполагаемых пребиотических реакций на окружающую среду, в дополнение к влиянию воздействия окружающей среды на реакции», — отмечают Бойгенцан и ее команда.
Это не первый намек на то, что зарождение жизни могло произойти на грани влажности. Ранее в этом году химики обнаружили, что свободно плавающие аминокислоты более реактивны на границе воздух-вода крошечных капелек. Более того, эти реакции происходили в нормальных условиях окружающей среды без необходимости использования других химических веществ или радиации.
Еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем понять все, что с этим связано, но понимание процессов, лежащих в основе создания жизни, также может открыть дверь для новых, более мощных технологий, основанных на химии.
«Со временем вы можете создать химические системы, способные хранить информацию, адаптироваться и развиваться», — говорит Инь. «ДНК хранит информацию с плотностью, в тысячи раз превышающей плотность компьютерного чипа. Если бы мы могли получить системы, которые делают это, не обязательно являясь живыми клетками, тогда вы начали бы думать о всевозможных новых функциях и процессах, происходящих на молекулярном уровне».
