Как трещины в горячих камнях дали толчок развитию жизни на Земле?

Как возникли строительные блоки жизни?

Ученые давно пытаются ответить на этот вопрос. Ранняя Земля была заполнена лужами воды, богатой химическими веществами — первичным бульоном. Тем не менее, из смесей возникли биомолекулы, поддерживающие жизнь, которые подготовили почву для появления первых клеток.

Жизнь началась, когда образовались два компонента:

• ДНК – молекулярный носитель для хранения и передачи генетической информации;
• другой компонент состоял из белков, «рабочей силы» и структурных элементов организма.

Обе биомолекулы очень сложны. У человека ДНК состоит из четырех различных нуклеотидов (A, T, G и C), а белки состоят из 20 типов аминокислот. Компоненты имеют различную структуру, и для их создания требуется разный химический состав. Конечные продукты должны быть в достаточно больших количествах, чтобы объединить их в ДНК или белки.

Ученые могут делать компоненты смеси «чистыми» в лаборатории с помощью добавок. Но как это происходило на ранних этапах развития жизни на Земле?

Группа ученых из Мюнхенского университета предполагает, что ответом на этот вопрос могут быть трещины в горных породах, которые были в изобилии на ранней Земле. Возможно, разница температур вдоль трещин естественным образом разделяет и концентрирует компоненты биомолекул, образуя пассивную систему очистки биомолекул.

Специалисты разработали камеры теплового потока, каждая из которых содержит мельчайшие трещины с температурным градиентом. Если добавить пребиотическую смесь (смесь аминокислот или нуклеотидов), компоненты легко разделятся.

Добавление большего количества камер привело к дальнейшей концентрации химических веществ, даже тех, которые были схожи по структуре. Сеть трещин также позволила аминокислотам связываться, что стало первым шагом к созданию функционального белка.

В природе исходные растворы представляют собой сложные смеси, в результате реакции которых образуется множество нежелательных побочных продуктов. Повсеместные тепловые потоки, которые проходят через тонкие трещины горных пород и питаются потоками геотермальной жидкости (серая стрелка), образуют геотермальную циркуляционную систему. Эта система отделяет даже очень похожие пребиотики друг от друга посредством чувствительной к веществу термодиффузии (белые стрелки) и конвекции жидкости (черные стрелки). Из-за геологических масштабов одновременно достигается множество различных составов.

Команда ученых отметила, что системы взаимосвязанных тонких разломов и трещин повсеместно находились в вулканических и геотермальных средах. Обогащая пребиотические химические вещества, такие системы могли бы «обеспечить устойчивую движущую силу для лаборатории естественного происхождения жизни».

Создание жизни

Около 4 миллиардов лет назад Земля представляла собой враждебную среду, избитую метеоритами и извержениями вулканов. И все же каким-то образом среди всего хаоса химия создала первые аминокислоты, нуклеотиды, липиды и другие строительные блоки жизни.

Какие именно химические процессы способствовали образованию этих молекул, остается предметом споров. Когда появился каждый из них – тоже загадка. Подобно проблеме «курица или яйцо», ДНК и РНК управляют созданием белков в клетках, но обоим генетическим носителям также требуются белки для репликации.

Ученые MIT определили, что связующим звеном на Земле могли быть сульфидные анионы – молекулы, которые в изобилии присутствовали в озерах и реках на ранней Земле. Образующиеся при извержениях вулканов и растворяемые в водоемах, сульфидные анионы могут ускорять химические реакции, которые превращают молекулы пребиотиков в РНК. Такая идея («RNA World») предполагает, что РНК была первой биомолекулой на Земле, поскольку она может переносить генетическую информацию и ускорять некоторые химические реакции.

Другая идея заключается в том, что удары метеоритов по Земле привели к одновременному образованию нуклеотидов, липидов и аминокислот в результате процесса, который включает в себя два химических вещества (одно из метеоров, а другое — с поверхности Земли) и ультрафиолетовое излучение.

Но есть одна проблема: каждый набор строительных блоков требует отдельной химической реакции. В зависимости от небольших различий в структуре или химическом составе, вполне возможно, что в одном географическом месте предпочтение отдавалось одному типу пребиотических молекул, а не другому.

Сети туннелей

Лабораторные эксперименты, имитирующие раннюю Землю, обычно начинаются с четко определенных чистых ингредиентов. Ученые также очищают промежуточные побочные продукты химических реакций.

В результате такого процесса часто возникают «исчезающе малые концентрации желаемого продукта» или его создание даже может быть невозможно. Реакции также требуют множества пространственно разделенных камер, что вряд ли напоминает естественную среду Земли.

Исследование было вдохновлено геологией. На ранней Земле была сложная сеть заполненных водой трещин в различных породах вулканов и геотермальных систем. Трещины, образовавшиеся в результате перегрева пород, образовали естественные «соломинки», которые потенциально могли фильтровать сложную смесь молекул, используя градиент температуры.

Каждая молекула поддерживает предпочтительную температуру в зависимости от своего размера и электрического заряда. При воздействии различных температур она естественным образом движется к своему идеальному выбору. Такой процесс называется термофорез (термодиффузия) и позволяет разделить смесь ингредиентов на несколько отдельных слоев за один этап.

Команда сымитировала одиночную тонкую трещину в породн, используя камеру теплового потока. Камера размером примерно с банковскую карту имела крошечные трещины диаметром 170 микрометров, примерно шириной с человеческий волос. Чтобы создать градиент температуры, одна сторона камеры была нагрета до 40 °C, а другой конец охлажден до 25 °C.

В первом тесте команда добавила в камеру смесь соединений пребиотиков, включающую аминокислоты и нуклеотиды ДНК. Через 18 часов компоненты разделились на пласты, как тирамису. Например, глицин — самая маленькая из аминокислот — концентрировался вверху, а другие аминокислоты с более высокой термофоретической силой прилипали к низу. Точно так же нуклеотиды ДНК (A,T,G,C) и другие поддерживающие жизнь химические вещества разделились в трещинах, причем некоторые из них были обогащены до 45%.

Хотя такая система и была многообещающей, она не напоминала раннюю Землю, которая имела взаимосвязанные трещины разного размера. Чтобы лучше имитировать естественные условия, команда использовала 3 камеры, одна из которых разветвлялась еще на 2 другие. Такая система оказалась в 23 раза эффективнее в обогащении пребиотиками, чем при однокамерной конструкции.

Затем команда смоделировала на компьютере поведение взаимосвязанной системы камер размером 20 на 20, используя реалистичную скорость потока пребиотиков. Камеры еще больше обогатили состав: содержание глицина в нем более чем в 2 000 раз превысило содержание других аминокислот.

Химические реакции

Чистые ингредиенты — отличный старт для образования сложных молекул. Но многие химические реакции требуют дополнительных химикатов, которые тоже необходимо обогащать. Здесь команда сосредоточилась на реакции соединения двух молекул глицина.

В основе лежит Триметафосфат (Trimetaphosphate, TMP), который помогает регулировать реакцию. TMP особенно важен для химии пребиотиков, и на ранней Земле его было мало, что «делает его избирательное обогащение критичным».

Одна камера увеличивала уровень TMP при смешивании с другими химическими веществами. Используя компьютерное моделирование, смесь TMP и глицина увеличила конечный продукт — удвоенный глицин — на 5 порядков.

Результаты исследования показывают, что сложные реакции с пребиотиками значительно ускоряются за счет тепловых потоков, которые избирательно обогащают химические вещества в разных регионах. В общей сложности ученые протестировали более 50 молекул пребиотиков и обнаружили, что трещины легко разделяют их. Поскольку каждая трещина может содержать различную смесь молекул, это может объяснить появление множества строительных блоков жизни, поддерживающих жизнь на планете.

Тем не менее, то, как строительные блоки собрались вместе, чтобы сформировать организмы, остается загадкой. Тепловые потоки и трещины в горных породах, вероятно, являются лишь частью головоломки. Последним испытанием будет выяснить, связываются ли очищенные пребиотики с образованием клетки и если да, то каким образом.