Понимание того, как зародилась жизнь на Земле, – один из самых сложных вопросов, который пытается объяснить современная наука. В настоящее время ученые изучают современные организмы и пытаются понять, какие аспекты их биохимии универсальны и, следовательно, вероятно, присутствовали в организмах, от которых они произошли. Лучшее предположение – то, что жизнь процветала на Земле по крайней мере 3.5 миллиардов из 4 земных.5 миллиардов лет истории с момента образования планеты, и большинство ученых сказали бы, что жизнь, вероятно, началась до того, как появятся убедительные доказательства ее существования.
Проблема в том, что, поскольку поверхность Земли динамична, самые ранние следы жизни на Земле не сохранились в геологической летописи. Однако самые ранние свидетельства существования жизни на Земле мало что говорят нам о том, из чего были сделаны самые ранние организмы или что происходило внутри их клеток. «Очевидно, что из химии пребиотиков еще многое предстоит узнать о том, как могла возникнуть жизнь», – говорит соавтор исследования Джим Кливз.
Отличительной чертой жизни является эволюция, и механизмы эволюции предполагают, что общие черты могут быть внезапно вытеснены редкими и новыми мутациями, которые позволяют мутантным организмам лучше выживать и размножаться, часто очень быстро заменяя ранее распространенные организмы. Палеонтологические, экологические и лабораторные данные свидетельствуют о том, что это происходит часто и быстро. Одним из примеров является инвазивный организм, такой как одуванчик, который был завезен в Америку из Европы и теперь превратился в сорняк, заставляющий обеспокоенных газонами домовладельцев тратить бесчисленные часы усилий и долларов на уничтожение. Другой менее причудливый пример – COVID-19, вирус (технически не живой, но технически организм), который, вероятно, был ограничен небольшой популяцией летучих мышей в течение многих лет, но внезапно распространился среди людей по всему миру.
Организмы, которые размножаются быстрее, чем их конкуренты, даже ненамного быстрее, быстро отправляют своих конкурентов в то, что Лев Троцкий назвал «свалкой истории»."Поскольку большинство организмов, которые когда-либо существовали, вымерли, соавтор Тони З. Цзя предполагает, что «чтобы понять, как возникла современная биология, важно изучить правдоподобные небиологические химические процессы или структуры, которые в настоящее время не присутствуют в современной биологии, которые потенциально исчезли, когда жизнь усложнилась."
Идея эволюционного замещения доводится до крайности, когда ученые пытаются понять происхождение жизни. Все современные организмы имеют несколько общих черт: вся жизнь клеточна, жизнь использует ДНК в качестве молекулы для хранения информации и использует ДНК для создания рибонуклеиновой РНК в качестве промежуточного способа производства белков. Белки выполняют большую часть катализа в современной биохимии, и они созданы с использованием почти универсального «кода», чтобы сделать их из РНК.
Как появился этот код, само по себе загадочно, но эти глубокие вопросы указывают на то, что они, возможно, были очень темным периодом ранней биологической эволюции ~ 4 миллиарда лет назад, в течение которого почти не присутствовали молекулярные особенности, наблюдаемые в современной биохимии, и немногие, если хоть какие-то из присутствующих, были перенесены вперед.
Белки представляют собой линейные полимеры аминокислот. Эти гибкие цепочки полимеризованных аминокислот складываются в уникальные трехмерные формы, образуя чрезвычайно эффективные катализаторы, которые способствуют точным химическим реакциям. В принципе, многие типы полимеризованных молекул могут образовывать похожие цепочки и складываться, образуя аналогичные каталитические формы, и химики-синтетики уже обнаружили множество примеров. «Смысл такого рода исследований заключается в обнаружении функциональных полимеров в предположительно пребиотических системах без помощи биологии, включая аспирантов», – говорит соавтор Ирена Мамаджанова.
Ученые нашли множество способов создания биологических органических соединений без вмешательства биологии, и эти механизмы помогают объяснить присутствие этих соединений в образцах, таких как углеродистые метеориты, которые являются реликвиями ранней солнечной системы и которые, по мнению ученых, никогда не вмещали жизнь. Эти примордиальные образцы метеоритов также содержат много других типов молекул, которые могли образовывать сложные свернутые полимеры, такие как белки, которые могли бы помочь управлять примитивной химией.
Белки в силу их сворачивания и катализа опосредуют большую часть сложной биохимической эволюции, наблюдаемой в живых системах. Команда ELSI рассудила, что альтернативные полимеры могли помочь этому случиться до того, как кодирование между ДНК и белком появилось. "Возможно, мы не сможем реконструировать происхождение жизни; может быть более продуктивно попытаться построить ее с нуля, и не обязательно с использованием современных биомолекул. На первобытной Земле существовали большие резервуары небиологических химикатов.
Как они помогли в формировании такой жизни, как мы-знаем, – вот что нас интересует », – говорит соавтор Кухан Чандру.
Команда ELSI сделала что-то простое, но глубокое: они взяли большой набор структурно разнородных небольших органических молекул, которые, вероятно, могли быть образованы пребиотическими процессами, и попытались увидеть, могут ли они образовывать полимеры при испарении из разбавленного раствора. К своему удивлению, они обнаружили, что многие примитивные соединения могут, хотя они также обнаружили, что некоторые из них быстро разлагаются. Этот простой критерий, может ли соединение быть высушенным без разложения, возможно, был одним из первых эволюционных факторов давления отбора первичных молекул.
Команда провела еще один простой тест. Они взяли эти высушенные реакции, добавили воды и посмотрели на них под микроскопом. К их удивлению, некоторые из продуктов этой реакции образовали компартменты размером с клетку.
Эти простые исходные материалы, содержащие от 10 до 20 атомов, могут быть преобразованы в самоорганизованные клеточно-подобные агрегаты, содержащие миллионы атомов, дает поразительное понимание того, как простая химия могла привести к сложной химии, граничащей со сложностью, связанной с живыми системами, но не используя современные биохимические препараты.
«Мы не тестировали все возможные соединения, но мы протестировали множество возможных соединений.
Обнаруженное нами разнообразие химического поведения было неожиданным и предполагает, что такой тип поведения от небольших молекул до функциональных агрегатов является общей чертой органической химии, которая может сделать происхождение жизни более распространенным явлением, чем считалось ранее », – заключает соавтор. автор Нираджа Бапат.