С чего начиналась жизнь на Земле
Предшественники всех необходимых биомолекул могли получиться в результате похожих химических реакций и из одинакового химического сырья.
Жизнь на Земле начиналась с молекул, которые могли создавать копии самих себя и, по-видимому, были похожи на современные РНК и ДНК. Проблема, однако, в том, что современные нуклеиновые кислоты нуждаются в помощи белков, чтобы сделать собственную копию. Но сами белки невозможно создать без нуклеиновых кислот – информация об аминокислотной последовательности закодирована в нуклеотидах ДНК. Получается, если бы нуклеиновые кислоты были первыми на Земле, они бы не смогли оставлять «потомство», а если первыми были белки – то где хранилась информация о белковых молекулах?
Эту проблему удалось разрешить, когда обнаружилось, что существуют РНК с каталитическими свойствами, которые могут осуществлять химические реакции без помощи белков – они получили название рибозимов. Более того, оказалось, что некоторые из таких РНК способны создавать себе подобных. Так родилась гипотеза «мира РНК», согласно которой жизнь на Земле началась в первичном химическом супе, заполненном древнейшими РНК, копировавшими самих себя. Но могли ли такие реакции идти просто в бескрайнем доисторическом растворе? Должны были быть какие-то микрореакторы, которые не давали бы разбегаться реагентам далеко друг от друга. Такую реакционную микроячейку могла бы сформировать липидная мембрана, но для синтеза липидов опять же необходимы белки, а белков у нас в мире РНК пока что нет. (Впрочем, здесь стоит заметить, что в последнее время появляются гипотезы, которые предлагают на роль химических реакторов микропоры в минеральных породах на дне древнего океана.)
Наконец, едва ли не самое трудное возражение против РНК-мира заключается в сложности строительных «кирпичей» для таких молекул. Рибонуклеотиды, которые служат мономерами для РНК, сейчас синтезируются с помощью белков, и структура их весьма непроста. Поэтому существует ещё одна гипотеза, которая делает жизнь на Земле обязанной неким металлическим катализаторам, с помощью которых сначала был создан некий каркас метаболических реакций, которые помогли создать необходимые «полуфабрикаты» для синтеза высших биомолекул. Здесь можно вспомнить двухлетней давности работу исследователей из Института Санта-Фе, посвящённую происхождению современных биохимических реакций из геохимических процессов.
Однако, как оказалось, древние РНК могли обойтись и без помощи каких-то других катализаторов. В 2009 году Джон Сазерленд (John Sutherland) из Кембриджа вместе со своими сотрудниками опубликовал статью, в которой говорилось, что два из четырёх рибонуклеотидов можно создать из очень простого сырья – ацетилена и формальдегида. Важно, что здесь никаких катализаторов не требовалось, достаточно было воспроизвести условия, которые предположительно были в те времена в первичном супе на поверхности Земли. Однако формальдегид с ацетиленом оказались всё же недостаточно просты, чтобы убедить скептиков в возможности такого сценария зарождения жизни.
И вот в Nature Chemistry появляется новая статья всё тех же Джона Сазерленда с коллегами: на сей раз исследователи утверждают, что в создании предшественников нуклеиновых кислот можно вообще обойтись одними лишь цианистым водородом (HCN), сероводородом (H2S) и ультрафиолетовым излучением. Более того, из них же можно сделать предшественников для аминокислот и липидных молекул. Разумеется, все они получаются из сероводорода и цианистого водорода не в одну реакцию, однако важно то, что все «молекулы жизни» можно получить из одного и того же сырья и с помощью похожего набора реакций. И липидные мембраны, и белки-катализаторы, и РНК-подобные репликаторы могли произойти от одного «общего предка».
Цианистый водород в изобилии встречается в метеоритах, и на Землю он мог попасть как раз с ними: в первые несколько сотен миллионов лет земной истории метеоритные дожди шли непрерывно. Также HCN мог получаться из углерода, азота и водорода прямо на месте, при столкновении гостя из космоса с земной поверхностью. В этом смысле жизнь и впрямь прибыла извне – правда, в виде простейшего химического сырья. Что же до сероводорода, то его на Земле как считается, было тогда и без того много.
Однако без катализаторов здесь всё же не обойтись: например, чтобы получить разные наборы молекул-предшественников (для рибонуклеотидов, для аминокислот и для составляющих липидов), нужны разные металлы-помощники, которые будут направлять превращения сероводорода и цианистого водорода по разным путям. Так что новые данные одновременно говорят о том, что исходное сырьё могло быть исключительно простым, и также о том, что некие элементарные катализаторы всё равно были необходимы.
Различия в химии и энергетике описанных реакций достаточно невелики, так что формирование тех или иных предшественников могло происходить буквально бок о бок, в соседних химических нишах. Реакционные смеси могли потом смешиваться, например, из-за дождей, так что «пра-рибонуклеотиды» и «пра-аминокислоты» начинали взаимодействовать между собой, запуская следующий этап эволюции. Впрочем, как в действительности всё тогда происходило, мы вряд ли узнаем без машины времени – но может случиться и так, что в один прекрасный день в какой-нибудь научной лаборатории жизнь сможет ещё раз зародится с нуля.
Подготовлено по материалам ScienceNOW.
