Как и в каких местах обитания возникли первые формы жизни на молодой Земле? Одним из важнейших предварительных условий происхождения жизни является то, что сравнительно простые биомолекулы должны были иметь возможность формировать более сложные структуры, которые были способны воспроизводить себя и могли хранить генетическую информацию в химически стабильной форме. Но этот сценарий требует некоторых средств накопления молекул-предшественников в высококонцентрированной форме в растворе.
В раннем океане такие соединения присутствовали в исчезающе низких концентрациях. Но физики LMU под руководством профессора Дитера Брауна теперь описывают обстановку, которая обеспечивает необходимые условия. Они экспериментально показывают, что поровые системы на морском дне, нагретые вулканической активностью, могли служить реакционными камерами для синтеза молекул РНК, которые сегодня служат носителями наследственной информации в биосфере.
«Ключевым требованием является то, что источник тепла должен быть локализован на одной стороне удлиненной поры, чтобы вода на этой стороне была значительно теплее, чем на другой», – говорит Браун.
Предварительно сформированные биомолекулы, которые смываются в пору, затем могут быть захвачены и сконцентрированы под действием температурного градиента, что является основным предварительным условием для образования и репликации более сложных молекулярных структур. Эффект захвата молекул является следствием термофореза: заряженные молекулы в температурном градиенте предпочтительно перемещаются из более теплой области в более холодную, что позволяет, в частности, надежно улавливать более длинные полимеры. Это важный фактор в эволюции нуклеиновых кислот, таких как РНК и ДНК, просто потому, что более длинные молекулы могут хранить больше генетической информации.
Воссоздание пор горных пород в лаборатории
Браун и его коллеги показали, что этот механизм работает в лаборатории: «Мы использовали крошечные стеклянные капиллярные трубки, чтобы построить аналог естественных пор, обнаруженных в породе, нагрели поры с одной стороны и позволили воде, содержащей растворенные фрагменты линейной ДНК различной длины, чтобы просочиться через него.
В таких условиях длинные пряди действительно остаются внутри поры », – объясняет Браун. "Поры, подвергшиеся воздействию тепла, часто встречаются в образованиях вулканических пород, и они, безусловно, были обычным явлением в породах вулканического происхождения на ранней Земле. Так что этот сценарий вполне реалистичен. Температурный эффект усиливается наличием металлических включений в породе, которые проводят тепло в 100 раз быстрее, чем вода."
Температурные градиенты и репликация
Нуклеиновые кислоты не только удерживаются в порах, но и способны к репликации в этих условиях. В более горячей зоне двухцепочечные нити разделяются на составляющие нити в течение нескольких минут. Затем отдельные нити могут переноситься конвекцией – циклическим потоком вдоль поры перпендикулярно направлению температурного градиента – обратно в более холодную область поры.
Здесь они сталкиваются с химическими предшественниками, из которых построена каждая цепь ДНК, которые поступают в пору непрерывным потоком. Предварительно сформованные нити затем действуют как шаблоны для полимеризации комплементарных нитей.
Этот цикл позволяет не только воспроизвести нити, но и удлинить их, сшивая фрагменты вместе. Когда нуклеиновые кислоты накапливаются до уровней, превышающих емкость поры, вновь реплицированные молекулы могут ускользать и колонизировать соседние системы пор.
Таким образом, группе LMU удалось построить систему, которая допускает автономную и непрерывную дарвиновскую эволюцию все более сложных биомолекул, тем самым определяя реалистичные условия, при которых в принципе могла развиться жизнь. "Жизнь по своей сути является термодинамическим неравновесным явлением.
Вот почему появление первых форм жизни требует локального дисбаланса, вызванного внешним источником энергии – например, разницей температур, навязанной извне », – объясняет Дитер Браун. "То, что это может быть достигнуто таким простым и элегантным способом, удивило даже нас. Успех проекта – это дань тесному сотрудничеству между всеми членами команды."