Работа далека от того, чтобы запустить жизнь в лаборатории. Тем не менее, он показывает, что простые лабораторные методы могут вызвать реакции, которые, вероятно, необходимы, чтобы объяснить, как жизнь зародилась на Земле около четырех миллиардов лет назад.
Исследователи подвергли богатый суп органических химикатов многократному отбору, постоянно сокращая химическую популяцию и позволяя ей снова расти с добавлением новых ресурсов. На протяжении поколений отбора система, казалось, потребляла свое сырье, что свидетельствует о том, что отбор мог вызвать распространение химических сетей, способных к саморазвитию.
В более длительных временных масштабах эти химические изменения колебались по повторяющейся схеме. Этот цикл взлетов и падений еще полностью не объяснен, но это хорошее свидетельство того, что химические супы создали петли обратной связи, похожие на те, которые обнаруживаются в живых организмах.
Дэвид Баум, профессор ботаники из Университета штата Мэдисон, и его команда опубликовали свои выводы в октябре. 23 января 2019 г., в журнале Life. Работа финансировалась Национальным научным фондом и НАСА.
Теперь другие исследователи могут использовать этот экспериментальный подход и помочь распознать, какие компоненты необходимы для создания реалистичных химических систем и могут ли эти химические сети развиваться более сложные черты.
Если эта система сможет создать большую сложность, она может помочь решить загадку того, как простые химические вещества в конечном итоге привели к чему-то столь же сложному, как клеточный предок, породивший сегодня всю жизнь.
"Ключевой вопрос о происхождении жизни: как происходила эволюция до того, как генетическая информация появилась в ДНК или РНК?"говорит Баум. «Теперь мы поняли, что эволюция химических сетей может решить эту проблему, и это то, что мы можем решить в лаборатории."
Чтобы проверить идею химической эволюции экосистемы, исследователи собрали богатый суп из химикатов.
В морской воде они растворяли аминокислоты, сахара, обычные органические соединения, микроэлементы и строительные блоки нуклеиновых кислот. Чтобы дать системе еще больше преимуществ, ученые добавили в богатую морскую воду АТФ, высокоэнергетическую молекулу, которая сегодня управляет почти всеми реакциями жизни, но вряд ли существовала в древние времена.
«Не все эти химические вещества могли быть доступны на ранней Земле, но мы пытаемся ускорить процесс, который теоретически мог бы начаться с даже более простых строительных блоков», – говорит Баум, который также является научным сотрудником Института Висконсина.
Открытие.
Команда смешала свой первозданный суп с мелкими зернами пирита, минерала железа и серы, также известного как золото дураков.
Основываясь на предложении немецкого химика Гюнтера Вахтерсхаузера 1988 года о химической эволюции, команда Баума считает, что пирит является идеальным материалом для выращивания реалистичной химии.
«Пирит был обычным минералом на исконной Земле, он может связываться с множеством органических соединений и катализировать реакции между ними», – говорит Лена Винсент, аспирантка лаборатории Баума и ведущий автор исследования. "И, что очень элегантно, у многих высококонсервативных ферментов в течение всей жизни есть ядра, которые очень похожи на пирит. Это в основном пирит, завернутый в белок."
Исследователи добавили несколько капель обогащенного супа из морской воды к небольшому количеству измельченного пирита во флаконе и перемешивали раствор в течение нескольких дней.
Это было первое поколение. Чтобы начать следующее поколение, Винсент взял небольшое количество первого раствора и смешал его во флаконе со свежим супом и пиритом.
В течение десятка или более поколений выживали и распространялись только те химические сети, которые могли распространяться быстрее, чем они были разбавлены.
Через 12 или 18 поколений исследователи увидели падение доступного фосфата – показания использования АТФ – и в растворенном органическом материале, что позволило предположить, что химические соединения могут прилипать к зернам пирита и распространяться по ним.
Когда они исследовали пирит под сверхвысоким увеличением, исследователи увидели множество фрактальных форм, распространяющихся по поверхности минерала в экспериментальных образцах, но не в контрольных образцах, которые не имели истории отбора.
Хотя эти фрактальные формы кажутся солями и сами по себе вряд ли будут реалистичными, исследователи подозревают, что они могут быть вызваны тонким пятном органических соединений, связанных с зернами. Фракталы никогда не появлялись, когда органический материал не использовался.
«Ученые долгое время искали примеры реакций, которые спонтанно усложняют и организуют органические химические вещества», – говорит Джим Кливз, соавтор работы Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском технологическом институте. Япония. "Основываясь на этой работе и других экспериментах, которые мы проводили в ELSI, кажется возможным, что такие реакции не могут быть невероятно редкими вообще, это может быть просто вопрос использования правильных инструментов для их обнаружения."
Когда исследователи провели эксперимент на 40 поколениях, они наблюдали периоды постепенных изменений, перемежающихся внезапными изменениями исходных условий. Хотя причина этих сбоев остается неизвестной, этот вид нелинейной петли обратной связи встречается на протяжении всей жизни и является доказательством того, что экспериментальная система вызвала сложное поведение в химическом супе.
«Эта нелинейность является предпосылкой для всех интересных реалистичных моделей поведения, которые мы ищем, включая самораспространение и эволюцию», – говорит Винсент. Осторожно взволнованные своим предварительным успехом, Баум и его команда теперь готовы нанять других, чтобы они помогли им усовершенствовать свою систему.
"Мы хотели разработать систему, которую можно было бы исследовать дальше, чтобы ответить на вопросы об эволюционируемости. И, надеюсь, другие лаборатории будут использовать этот протокол и улучшать его », – говорит Баум. "Это именно то место, где мы хотели быть."
Работа поддержана грантом NSF EAGER (номер 1624562) и Лабораторией идей NASA-NSF CESPOoL (парадигма выбора химической экосистемы для истоков жизни), грантом NASA (номер 80NSSC17K0296).