Происхождение жизни на Земле остается глубокой экзистенциальной и научной загадкой. Уже давно предполагается, что ключ к разгадке тайны могут дать обильные океаны нашей планеты. Новое исследование ученых из Университета Пердью (Purdue University) может продвинуть эту идею еще на один шаг вперед.
В работе, опубликованной 3 октября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), рассматриваются пептиды: последовательности аминокислот, которые являются важными и крошечными строительными блоками белка и самой жизни. Авторы обнаружили, что аминопептиды могут спонтанно образовываться в каплях воды во время быстрых реакций, которые происходят при встрече воды с атмосферой, например, когда водопад обрушивается на скалу и брызги поднимаются в воздух. Возможно, что это действие происходило, когда Земля была безжизненной, вулканической, водной, наполненной расплавленными камнями планетой около четырех миллиардов лет назад, когда впервые зародилась жизнь.
"По сути, это химия, стоящая за происхождением жизни", - сказал в пресс-релизе Грэм Кукс, автор исследования и профессор аналитической химии в Пердью. "Это первая демонстрация того, что первобытные молекулы, простые аминокислоты, спонтанно образуют пептиды, строительные блоки жизни, в капельках чистой воды. Это драматическое открытие".
В исследовании авторы пишут, что это открытие обеспечивает "правдоподобный маршрут для формирования первых биополимеров", или сложных структур, производимых живыми существами. Ученые уже несколько десятилетий пытаются понять, как это происходит, поскольку расшифровка секрета того, как (и даже почему) возникла жизнь на Земле, может помочь ученым лучше искать жизнь на других планетах или даже лунах в нашей галактике и за ее пределами.
Понимание этой химии на основе воды восходит к белкам, которые создали жизнь на Земле. Считается, что миллиарды лет назад необработанные аминокислоты, из которых возникла жизнь, были доставлены на Землю метеоритами. Эти аминокислоты вступали в реакцию и сцеплялись друг с другом, образуя пептиды, строительные блоки белков и, в конечном счете, саму жизнь. Однако для образования пептидов необходимо, чтобы при сцеплении аминокислот терялась молекула воды. Это нелегко сделать на планете, которая в основном покрыта водой. По сути, для формирования жизни необходима вода, но также и потеря некоторого количества воды.
Кукс объяснил VICE этот "водный парадокс". "Водный парадокс - это противоречие между очень значительными доказательствами того, что химические реакции, ведущие к возникновению жизни, происходили в пребиотическом океане, и термодинамическим ограничением против того, чтобы именно эти реакции (потеря воды) происходили в воде. Белки образуются из аминокислот путем потери воды", а "потеря воды в воде не произойдет, потому что процесс будет обращен вспять водой (термодинамически запрещено)".
Новое исследование позволило заглянуть в ранние годы существования Земли, когда неживые соединения внезапно объединились и образовали живые существа. Этот процесс возникновения жизни из неживых существ называется абиогенезом, и до сих пор не совсем понятно, как он происходит. Поскольку пептиды составляют основу белков (и других биомолекул, способных к самовоспроизведению), создание пептидов является важнейшим шагом в абиогенезе.
Кукс и его команда продемонстрировали, что пептиды могут легко образовываться в тех химических средах, которые существовали на Земле миллиарды лет назад. Ключевым аспектом, однако, является размер крошечных капель, летящих по воздуху или скатывающихся со скал, взаимодействующих с воздухом и образующих быстрые химические реакции. "Скорость реакций в каплях в сотни-миллионы раз выше, чем у тех же химических веществ, реагирующих в объемном растворе", - говорит Кукс.
Такие быстрые химические реакции не требуют катализатора для начала реакции, что сделало возможным развитие жизни на Земле". Для реконструкции возможного образования пептидов команда использовала эксперименты по "слиянию капель", которые имитируют столкновение капель воды в воздухе. Понимание процесса химического синтеза, в ходе которого аминокислоты выстраиваются в белок, может помочь химикам-синтетикам ускорить химические реакции, необходимые для создания новых лекарств и терапевтических методов лечения заболеваний.
"Если вы пройдете ночью по академическому городку, то здания с включенным светом - это те, где работают химики-синтетики", - сказал Кукс. "Их эксперименты настолько медленные, что продолжаются несколько дней или недель. В этом нет необходимости, и, используя капельную химию, мы создали аппарат, который сейчас используется в университете Пердью, чтобы ускорить синтез новых химических веществ и потенциальных новых лекарств".
