Происхождение жизни: как трещины в горячих камнях могли дать толчок развитию биохимии

Как возникли строительные блоки жизни?

Этот вопрос уже давно беспокоит ученых. Ранняя Земля была усеяна лужами воды, богатой химическими веществами — первичным бульоном. Тем не менее, из смесей возникли биомолекулы, поддерживающие жизнь, подготовив почву для появления первых клеток.

Жизнь началась, когда образовались два компонента. Одним из них был молекулярный носитель — например, ДНК — для передачи и изменения генетических проектов. Другой компонент состоял из белков, «рабочих лошадок» и структурных элементов организма.

Обе биомолекулы очень сложны. У человека ДНК состоит из четырех различных химических «букв», называемых нуклеотидами, тогда как белки состоят из 20 типов аминокислот. Компоненты имеют различную структуру, и для их создания требуется немного разная химия. Конечные продукты должны быть в достаточно больших количествах, чтобы объединить их в ДНК или белки.

Ученые могут очищать компоненты в лаборатории с помощью добавок. Но возникает вопрос: как это произошло на ранней Земле?

Ответом, как предполагает доктор Кристоф Маст, исследователь из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, могут быть трещины в горных породах, подобные тем, которые образовались в вулканах или геотермальных системах, которые были в изобилии на ранней Земле. Возможно, разница температур вдоль трещин естественным образом разделяет и концентрирует компоненты биомолекул, образуя пассивную систему очистки биомолекул.

Вдохновленная геологией, команда разработала камеры теплового потока размером примерно с банковскую карту, каждая из которых содержит мельчайшие трещины с температурным градиентом. Если дать смесь аминокислот или нуклеотидов — «пребиотическую смесь», — компоненты легко разделятся.

Добавление большего количества камер еще больше концентрировало химические вещества, даже те, которые были схожи по структуре. Сеть трещин также позволила аминокислотам связываться, что стало первым шагом на пути к созданию функционального белка.

«Считается, что системы взаимосвязанных тонких трещин и трещин… повсеместно распространены в вулканических и геотермальных средах». писал команда. Обогащая пребиотические химические вещества, такие системы могли бы «обеспечить устойчивую движущую силу для лаборатории естественного происхождения жизни».

Пивоваренная жизнь

Около четырех миллиардов лет назад Земля представляла собой враждебную среду, избитую метеоритами и изобилующую извержениями вулканов. И все же каким-то образом среди этого хаоса химия создала первые аминокислоты, нуклеотиды, жирные липиды и другие строительные блоки, поддерживающие жизнь.

Который Химические процессы, способствующие образованию этих молекул, являются предметом дискуссий. После появления каждый из них — это тоже загадка. Подобно проблеме «курица или яйцо», ДНК и РНК управляют созданием белков в клетках, но оба генетических носителя также требуют белков для репликации.

Одна теория предполагает сульфидные анионы, которые представляют собой молекулы, которые были в изобилии в озерах и реках ранней Земли, могут быть связующим звеном. Образующиеся при извержениях вулканов, растворенные в водоемах, они могут ускорять химические реакции, которые превращают молекулы пребиотиков в РНК. Эта идея, получившая название «мира РНК», предполагает, что РНК была первой биомолекулой, украсившей Землю, поскольку она может переносить генетическую информацию и ускорять некоторые химические реакции.

Другая идея В результате ударов метеоритов о раннюю Землю одновременно образовались нуклеотиды, липиды и аминокислоты в результате процесса, который включает в себя два обильных химических вещества — одно из метеоров, а другое — с Земли — и немного ультрафиолетового света.

Но есть одна проблема: каждый набор строительных блоков требует отдельной химической реакции. В зависимости от небольших различий в структуре или химическом составе, вполне возможно, что в одном географическом месте предпочтение отдавалось одному типу пребиотических молекул, а не другому.

Как? Новое исследование, опубликованное в природа, предлагает ответ.

Туннельные сети

Лабораторные эксперименты, имитирующие раннюю Землю, обычно начинаются с четко определенных ингредиентов, которые уже были очищены. Ученые также очищают промежуточные побочные продукты, особенно на нескольких стадиях химических реакций.

В результате этого процесса часто возникают «исчезающе малые концентрации желаемого продукта» или его создание может даже быть полностью заблокировано, пишет команда. Реакции также требуют множества пространственно разделенных камер, которые вряд ли напоминают естественную среду Земли.

Новое исследование было вдохновлено геологией. На ранней Земле была сложная сеть заполненных водой трещин, обнаруженных в различных породах вулканов и геотермальных систем. Трещины, образовавшиеся в результате перегрева пород, образовали естественные «соломинки», которые потенциально могли фильтровать сложную смесь молекул, используя тепловой градиент.

Каждая молекула предпочитает предпочтительную температуру в зависимости от ее размера и электрического заряда. Под воздействием различных температур он естественным образом приближается к своему идеальному выбору. Этот процесс, называемый термофорезом, разделяет суп из ингредиентов на несколько отдельных слоев за один этап.

Команда сымитировала одиночный тонкий перелом породы, используя камеру теплового потока. Камера размером примерно с банковскую карту имела крошечные трещины диаметром 170 микрометров, то есть шириной с человеческий волос. Чтобы создать температурный градиент, одна сторона камеры была нагрета до 104 градусов по Фаренгейту, а другой конец охлажден до 77 градусов по Фаренгейту.

В первом тесте команда добавила в камеру смесь пребиотических соединений, включающую аминокислоты и нуклеотиды ДНК. Через 18 часов компоненты разделились на пласты, как тирамису. Например, глицин — самая маленькая из аминокислот — концентрировался вверху, тогда как другие аминокислоты с более высокой термофоретической силой прилипали внизу. Точно так же буквы ДНК и другие поддерживающие жизнь химические вещества также разделились в трещинах, причем некоторые из них были обогащены до 45 процентов.

Хотя эта система и была многообещающей, она не напоминала раннюю Землю, которая имела сильно взаимосвязанные трещины разного размера. Чтобы лучше имитировать естественные условия, команда затем подвесила три камеры, первая из которых разветвлялась на две другие. Это было примерно в 23 раза эффективнее при обогащении пребиотическими химическими веществами, чем в одной камере.

Используя компьютерное моделирование, команда затем смоделировала поведение взаимосвязанной системы камер размером 20 на 20, используя реалистичную скорость потока пребиотических химикатов. Камеры еще больше обогатили напиток: глицин содержит в 2,000 раз больше других аминокислот.

Химические реакции

Чистые ингредиенты — отличный старт для образования сложных молекул. Но многие химические реакции требуют дополнительных химикатов, которые также необходимо обогащать. Здесь команда сосредоточилась на реакции сшивания двух молекул глицина.

В основе лежит триметафосфат (ТМП), который помогает направлять реакцию. ТМП особенно интересен для химии пребиотиков, и на ранней Земле его было мало, объяснили команда, что «делает его селективное обогащение критическим». Однокамерная камера повышает уровень ТМР при смешивании с другими химическими веществами.

Используя компьютерное моделирование, смесь ТМП и глицина увеличила конечный продукт — удвоенный глицин — на пять порядков.

«Эти результаты показывают, что сложные пребиотические реакции значительно усиливаются» за счет тепловых потоков, которые избирательно обогащают химические вещества в разных регионах, пишет команда.

В общей сложности они протестировали более 50 молекул пребиотиков и обнаружили, что трещины легко разделяют их. Поскольку каждая трещина может содержать различную смесь молекул, это может объяснить появление множества строительных блоков, поддерживающих жизнь.

Тем не менее, то, как строительные блоки жизни собрались вместе, чтобы сформировать организмы, остается загадкой. Тепловые потоки и трещины в горных породах, вероятно, являются лишь частью головоломки. Последним испытанием будет выяснить, связываются ли эти очищенные пребиотики с образованием клетки и если да, то каким образом.

Изображение предоставлено: Кристоф Б. Маст

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2024/04/05/lifes-origins-fissures-in-hot-rocks-may-have-kickstarted-biochemistry/