Жизнь на Земле из химии: как РНК могла стать связующим звеном между молекулами и живыми существами

Процесс, приведший к возникновению живых существ, — одна из самых загадочных тем в науке. Ученые долго пытаются разгадать, как простая химия могла преобразоваться в сложную биологию молекул, ставших основой жизни. Одним из важнейших этапов в этом переходе стало появление РНК — молекулы, сыгравшей ключевую роль в эволюции жизни на Земле. Новое исследование, опубликованное в журнале PNAS, раскрывает новые горизонты в понимании этого процесса.

Ранние условия Земли и синтез РНК

4,3 миллиарда лет назад атмосфера Земли представляла собой смесь углекислого газа, водяного пара, азота и диоксида серы, которые подвергались химическому восстановлению вследствие мощных астероидных ударов. Эти условия способствовали образованию органических молекул, в том числе РНК, которая могла стать первой биологической молекулой, поддерживающей процессы жизни и эволюции. Исследования ученых показали, что РНК могла возникнуть благодаря спонтанным химическим реакциям, происходившим в атмосфере ранней Земли.

Одним из самых неожиданных открытий стало выявление важной роли бората — минерала, который, как считалось, должен был мешать пребиотическим процессам. Вместо этого борат оказал поддержку химическим реакциям, помогая удалять побочные продукты и поддерживать необходимый уровень pH для синтеза РНК.

"Бо́рат оказался важнейшим катализатором реакции, предотвращая накопление побочных продуктов и создавая благоприятные условия для образования РНК", — заявили ученые в своем исследовании.

Гипотеза РНК-мира: новая перспектива

Существует несколько гипотез о том, как могли сформироваться первые молекулы жизни. Одна из них — гипотеза РНК-мира, согласно которой РНК появилась раньше ДНК и белков, выполняя функцию и катализатора, и генетического шаблона. Это открытие подкрепляется теориями, предполагающими, что первые формы жизни могли основываться на способности РНК к самовоспроизведению.

Исследователи рассмотрели модель прерывистого синтеза (DSM), которая объясняет, как РНК могла возникнуть в условиях ранней Земли или Марса, когда жизнь только начинала зарождаться. Модель предполагает шесть этапов: от преобразования газов в атмосфере планеты в пентозные сахара (например, рибозу) до синтеза цепочек РНК через катализ на поверхности вулканического базальтового стекла.

Синтез РНК в лабораторных условиях

Проводя эксперименты, ученые воспроизвели условия ранней Земли, моделируя подземные водоемы, окруженные вулканическим базальтом, который периодически высыхал и затоплялся. В этих условиях ученые проверили, смогут ли шесть этапов модели DSM протекать без вмешательства человека. Оказалось, что да — все этапы могут происходить самостоятельно, и в результате этого образуются молекулы РНК длиной до 100-200 звеньев.

Бо́рат сыграл ключевую роль на нескольких стадиях процесса. От образования пятиуглеродных сахаров до присоединения фосфатных групп, он способствовал протеканию химических реакций, не давая образовываться побочным продуктам, которые могли бы затормозить процесс синтеза.

"Мы обнаружили, что борат не только не препятствует реакциям, но и помогает их ускорить, создавая более стабильную химическую среду для образования РНК", — отмечают авторы исследования.

Новые горизонты в понимании происхождения жизни

Открытия, сделанные в рамках данного исследования, могут стать важным шагом в решении великой загадки — происхождения жизни. Эксперименты показали, что химические процессы, которые привели к синтезу РНК, могут происходить в реальных природных условиях, без вмешательства извне. Это открытие приближает нас к разгадке того, как из простых молекул возникли первые формы жизни.

Для ученых, работающих над проблемой происхождения жизни, этот результат является важным подтверждением существования возможных путей для формирования РНК в условиях ранней Земли, что может пролить свет на дальнейшие этапы эволюции молекул, ставших основой живых существ.