Пять ключевых открытий в происхождении жизни за последние пять лет

Мы до сих пор многого не понимаем в происхождении жизни на Земле. Определение жизни само по себе является источником споров среди ученых, но большинство исследователей сходятся во мнении относительно основных компонентов живой клетки. Вода, энергия и несколько основных элементов являются предпосылками для возникновения клеток. Однако точные детали того, как это происходит, остаются загадкой.

Недавние исследования были сосредоточены на попытках воссоздать в лаборатории химические реакции, составляющие жизнь, какой мы ее знаем, в условиях, вероятных для ранней Земли (около 4 миллиардов лет назад). Эксперименты усложнились благодаря технологическому прогрессу и лучшему пониманию того, какими были ранние условия на Земле.

Однако рост экспериментальной работы не только не объединил ученых и не разрешил споры, но и привел к появлению множества противоречивых теорий. Некоторые учёные полагают, что жизнь возникла в глубоководных гидротермальных источниках, где условия обеспечивали необходимую энергию. Другие утверждают, что горячие источники на суше могли бы стать лучшими условиями, поскольку они с большей вероятностью удерживают органические молекулы метеоритов. Это всего лишь две возможности, которые исследуются.

Вот пять самых замечательных открытий за последние пять лет.

Реакции в ранних клетках

Какой источник энергии приводил в движение химические реакции, приведшие к зарождению жизни? Это загадка, которую пытается разгадать исследовательская группа из Германии. Команда углубилась в возможность 402 реакций, которые, как известно, создают некоторые важные компоненты жизни, такие как нуклеотиды (строительный блок ДНК и РНК). Они сделали это, используя некоторые из наиболее распространенных элементов, которые можно было найти на ранней Земле.

Эти реакции, присутствующие в современных клетках, также считаются основным метаболизмом LUCA, последнего универсального общего предка, одноклеточного бактериоподобного организма.

Для каждой реакции они рассчитали изменения свободной энергии, которая определяет, может ли реакция идти без других внешних источников энергии. Что удивительно, так это то, что многие из этих реакций не зависели от внешних воздействий, таких как аденозинтрифосфат, универсальный источник энергии в живых клетках.

Синтез фундаментальных строительных блоков жизни не нуждался во внешней энергетической поддержке: он был самоподдерживающимся.

Вулканическое стекло

Жизнь полагается на молекулы для хранения и передачи информации. Ученые полагают, что нити РНК (рибонуклеиновой кислоты) были предшественниками ДНК, выполнявшими эту роль, поскольку их структура более проста.

Появление РНК на нашей планете уже давно сбивает с толку исследователей. Однако в последнее время был достигнут некоторый прогресс. В 2022 году группа сотрудников из США создала в лаборатории стабильные цепи РНК. Они сделали это, пропуская нуклеотиды через вулканическое стекло. Созданные ими нити были достаточно длинными, чтобы хранить и передавать информацию.

Вулканическое стекло присутствовало на ранней Земле благодаря частым падениям метеоритов в сочетании с высокой вулканической активностью. Считается, что нуклеотиды, использованные в исследовании, присутствовали в тот период истории Земли. Вулканические породы могли способствовать химическим реакциям, в ходе которых нуклеотиды собирались в цепи РНК.

Гидротермальные источники

Фиксация углерода – это процесс, в котором CO 2 приобретает электроны. Необходимо построить молекулы, составляющие основу жизни.

Для запуска этой реакции необходим донор электронов. На ранней Земле донором электронов мог быть H 2. В 2020 году группа сотрудников показала, что эта реакция может происходить спонтанно и подпитываться условиями окружающей среды, подобными глубоководным щелочным гидротермальным источникам в раннем океане. Они сделали это с помощью микрофлюидной технологии — устройств, которые манипулируют крошечными объемами жидкостей для проведения экспериментов, имитируя щелочные источники.

Этот путь поразительно похож на то, как действуют многие современные бактериальные и архейные клетки (одноклеточные организмы без ядра).

Цикл Кребса

В современных клетках за фиксацией углерода следует каскад химических реакций, которые собирают или разрушают молекулы в сложных метаболических сетях, управляемых ферментами.

Но ученые до сих пор спорят о том, как протекали метаболические реакции до появления и эволюции этих ферментов. В 2019 году команда Страсбургского университета во Франции совершила прорыв. Они показали, что двухвалентное железо, тип железа, которого было много в ранней земной коре и океане, могло управлять девятью из 11 этапов цикла Кребса. Цикл Кребса — это биологический путь, присутствующий во многих живых клетках.

Здесь двухвалентное железо выступало в качестве донора электронов для фиксации углерода, что запускало каскад реакций. В результате реакций были созданы все пять универсальных метаболических предшественников — пять молекул, которые играют фундаментальную роль в различных метаболических путях во всех живых организмах.

Строительные блоки древних клеточных мембран

Понимание формирования строительных блоков жизни и их сложных реакций является большим шагом вперед в понимании возникновения жизни.

Однако независимо от того, развернулись ли они в горячих источниках на суше или в глубоком море, без клеточной мембраны эти реакции не зашли бы далеко. Клеточные мембраны играют активную роль в биохимии примитивной клетки и ее связи с окружающей средой.

Современные клеточные мембраны в основном состоят из соединений, называемых фосфолипидами, которые содержат гидрофильную головку и два гидрофобных хвоста. Они имеют двухслойную структуру: гидрофильные головки направлены наружу, а гидрофобные хвосты — внутрь.

Исследования показали, что некоторые компоненты фосфолипидов, такие как жирные кислоты, составляющие хвосты, могут самособираться в эти двухслойные мембраны в различных условиях окружающей среды. Но присутствовали ли эти жирные кислоты на ранней Земле? Недавнее исследование Университета Ньюкасла (Великобритания) дает интересный ответ. Исследователи воссоздали спонтанное образование этих молекул, объединив жидкости, богатые H₂, вероятно, присутствующие в древних щелочных гидротермальных источниках, с водой, богатой CO 2, напоминающей ранний океан.

Этот прорыв согласуется с гипотезой о том, что стабильные мембраны жирных кислот могли возникнуть в щелочных гидротермальных источниках и потенциально прогрессировать в живые клетки. Авторы предположили, что подобные химические реакции могут происходить в подземных океанах ледяных лун, которые, как полагают, имеют гидротермальные источники, подобные земным.

Каждое из этих открытий добавляет новую часть к загадке происхождения жизни. Независимо от того, какие из них окажутся верными, противоположные теории стимулируют поиск ответов.

Как писал Чарльз Дарвин: «Ложные факты крайне вредны для прогресса науки, поскольку они часто сохраняются долго; но ложные взгляды, если они подкреплены некоторыми доказательствами, приносят мало вреда, поскольку каждый получает благотворное удовольствие, доказывая свою ложность; и когда это сделано, один путь к ошибке закрыт, а дорога к истине часто в то же время открыта».