Генетические молекулы обеспечивают способность хранить и воспроизводить информацию и, возможно, имели решающее значение для происхождения жизни, но неясно, как они возникли из сложной химической среды, существовавшей на ранней Земле. Новые результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Scientific Reports, предполагают, что ответ может начаться с азотных гетероциклов, кольцевых молекул, которые, как считается, распространены на молодой Земле и в других местах Солнечной системы.
Несколько типов гетероциклов служат в качестве азотистых оснований или субъединиц ДНК и РНК, генетических молекул, используемых жизнью, какой мы ее знаем.
«Одна из задач изучения происхождения жизни – это расшифровать, какие реакции были ключевыми шагами», – сказал Кристофер Хаус, профессор наук о Земле в Пенсильвании. "Наша работа здесь определила наиболее вероятные следующие шаги, которые эти молекулы могли бы предпринять."
Группа исследователей обнаружила, что гетероциклы азота, возможно, служили строительными блоками для жизни в серии испытаний, которые генерировали сложные химические смеси, подобные тем, которые, возможно, создавались ударами молнии, проходящими через атмосферу ранней Земли. Десятки различных гетероциклов производили сходные примитивные генетические предшественники, даже когда состав атмосферы варьировался в исследовании.
«Настоящим сюрпризом было то, что так много разных таких кольцевых молекул оказались реактивными и что они образовали один и тот же следующий шаг, независимо от того, какую смоделированную атмосферу мы использовали», – сказал Хаус, который также является директором Исследовательского центра астробиологии штата Пенсильвания. Консорциум космических грантов НАСА Пенсильвании.
Результаты подтверждают гипотезу о том, что более простые генетические структуры могли предшествовать образованию ДНК и РНК, и предполагают, что аналогичные пребиотические реакции могут происходить в других частях Солнечной системы.
В отличие от предыдущих исследований, в которых изучались аналогичные реакции в изолированных условиях, команда использовала органически сложные смеси, которые лучше имитируют химию ранней Земли, не зная, будут ли реакции представлять собой конструктивный шаг к жизни или тупик.
Исследователи заявили, что в ходе исследования гетероциклы реагировали в сложной смеси с образованием химически активных боковых цепей, структур, которые связывают гетероциклы вместе и способствуют образованию более сложных молекул.
Эти модифицированные гетероциклы могут служить субъединицей пептидных нуклеиновых кислот (ПНК), предполагаемого предшественника РНК.
То, что они так быстро образовывались в различных атмосферных условиях, подтверждает теорию о том, что PNA могли образоваться на пребиотической Земле.
«Наши результаты намекают на возможность PNA на ранней Земле, поскольку мы наблюдали множество надежных синтетических путей для некоторых из ее компонентов», – сказал Майк Каллахан, доцент химии в Государственном университете Бойсе.
Результаты также имеют значение для аналогичных генетических предшественников в других мирах.
«Органические вещества, вступающие в реакцию с гетероциклами и образующие эти боковые цепи, также были обнаружены в межзвездной среде, кометах и даже в атмосфере Титана», – сказала Лаура Родригес, руководившая исследованием в качестве докторанта, изучающего науки о Земле в Пенсильванском государственном университете. "И поскольку реакции были устойчивыми в сложных смесях в широком диапазоне условий, наши результаты могут иметь значение для образования PNAs за пределами Земли."
В этом исследовании также участвовали Карен Смит, старший научный сотрудник, и Мелисса Робертс, аспирантка, оба из Университета Бойсе.
Программа NASA Exobiology, Институт астробиологии NASA через Центр астробиологии Годдарда и Исследовательский центр астробиологии штата Пенсильвания финансировали этот проект.