Отправной точкой такого примитивного метаболизма первых микробов является углекислый газ и газообразный водород. Микробы, которые живут за счет этих веществ, сначала превращают два газа в муравьиную кислоту (формиат), ацетат и пируват (соли уксусной кислоты и пировиноградной кислоты). Затем они используют их для создания всего своего органического материала через плотную дорожную карту сложных реакций.
Какой химик доктор. Мартина Прейнер из Института молекулярной эволюции Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и международная команда теперь показывают, что именно эти основные строительные блоки жизни возникают сами по себе в лабораторных условиях, когда H2 и CO2 оставляют реагировать в присутствии простых минералов в гидротермальных условиях.
За последние 20 лет проф. Доктор. Уильям Мартин, глава Института молекулярной эволюции, каталогизирует множество параллелей между катализируемыми металлами реакциями метаболизма и химическими реакциями в гидротермальных источниках. Проф.
Мартин говорит: «Эти реакции, основанные на H2 и CO2, которые отражают происхождение первых биохимических процессов, теперь могут быть смоделированы в лаборатории в Дюссельдорфе, что позволяет нам имитировать самые ранние фазы развития жизни."
Д-р. Прейнер смоделировал эти очень простые реакции в лабораторных условиях.
Они смогли продемонстрировать, что H2 и CO2 организуются в формиат, ацетат и пируват в течение ночи при температуре 100 градусов по Цельсию, пока присутствует несколько простых минеральных катализаторов – катализаторов, которые сами образуются в гидротермальных источниках. Мартина Прейнер подчеркивает тот факт, что микробный метаболизм не нужен. "Химические реакции на удивление просты. Создаваемые основные продукты – это именно те продукты, которые использовались самыми ранними клетками в качестве основы для их дальнейшего метаболизма."
Доктор.
Харун Туйсуз и его команда из Института Макса Планка в Мюльхейме разработали наноструктурированные твердые катализаторы для экспериментов: «Мы наблюдаем отчетливую взаимосвязь между структурой и активностью твердых катализаторов для сокращения выбросов CO2 в контексте происхождения жизни."
Согласно интуиции, две другие рабочие группы также изучали аналогичные процессы. Команда химиков из Страсбурга, работающих под руководством профессора. Доктор.
Джозеф Моран и доктор. Камила Муховска использовала металлическое железо вместо H2.
Японская команда, работающая с микробиологом доктором. Кенсуке Игараси изучал реакции H2 и CO2 на катализаторах из сульфида железа. Все группы наблюдали за одними и теми же продуктами. Проф.
Моран говорит: «Похоже, что метаболизм развился на удивление естественным путем."
Истоки жизни приводят к проблеме «курица или яйцо». Помимо простых реакций CO2-H2, клетки должны образовывать большое количество более сложных модулей, чтобы расти и функционировать. В современных клетках в качестве катализаторов обычно используются белки, конструкция которых кодируется генами.
Но что было раньше, белки или нуклеиновые кислоты? Опубликованное исследование предполагает, что в эволюции им предшествовали реакции, катализируемые металлами и минералами, и что в результате этих реакций возникли как белки, так и нуклеиновые кислоты. Металлы, обнаруженные в современных белках, являются реликтами этих биохимических зародышей.
Исследование также проливает свет на классическую проблему исследования происхождения жизни: какая энергия была доступна для самых ранних форм жизни?
Прейнер и его коллеги показали, что реакции H2 с CO2 в тех же условиях, что и в гидротермальных источниках, также выделяют энергию. При производстве простых соединений, таких как ацетат, создается достаточно энергии, чтобы позволить примитивным микробам подпитывать свой дальнейший метаболизм.
Это означает, что топливом для исходных элементов был водород, который образовывался в огромных количествах в подводных средах, когда Земля была молодой, и продолжает формироваться сегодня. Водород не только является самой чистой из всех форм энергии – при сгорании производит только воду, но и может быть искрой, которая породила саму жизнь.
Решающими факторами были подходящие условия и подходящие катализаторы.
Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом, Фондом Volkswagen, Немецким исследовательским фондом, Обществом Макса Планка, Японским обществом содействия науке и Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии.