05.05.2024
Разгадка происхождения жизни: пять ключевых открытий за последние пять лет. Мы все еще многого не понимаем о происхождении жизни на Земле. Определение самой жизни является предметом споров среди ученых, но большинство исследователей сходятся во мнении относительно фундаментальных составляющих живой клетки. Вода, энергия и несколько важнейших элементов являются необходимыми условиями для возникновения клеток. Однако точные детали того, как это происходит, остаются загадкой.
Недавние исследования были сосредоточены на попытке воссоздать в лаборатории химические реакции, из которых возникла жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, в условиях, правдоподобных для ранней Земли (около 4 миллиардов лет назад). Эксперименты усложнились благодаря технологическому прогрессу и лучшему пониманию того, какими были условия на ранней Земле.
Однако рост экспериментальных работ не только не объединил ученых и не уладил дебаты, а привел ко множеству противоречивых теорий. Некоторые ученые считают, что жизнь возникла в глубоководных гидротермальных источниках, где условия обеспечивали необходимую энергию. Другие утверждают, что горячие источники на суше обеспечили бы лучшие условия, потому что они с большей вероятностью содержат органические молекулы из метеоритов. Это всего лишь две возможности, которые в настоящее время исследуются.
Вот пять самых замечательных открытий за последние пять лет.
Реакции в ранних клетках
Какой источник энергии привел к химическим реакциям при происхождении жизни? Это тайна, которую исследовательская группа из Германии пыталась разгадать. Команда изучила возможность осуществления 402 известных реакций, в результате которых образуются некоторые из важнейших компонентов жизни, такие как нуклеотиды (строительный блок ДНК и РНК). Они сделали это, используя некоторые из наиболее распространенных элементов, которые могли быть найдены 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, которые определяют, может ли реакция протекать без других внешних источников энергии. Поражает 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 подпитке энергией: он был самоподдерживающимся.
Вулканическое стекло
Жизнь зависит от молекул для хранения и передачи информации. Ученые считают, что нити РНК (рибонуклеиновой кислоты) были предшественниками ДНК для выполнения этой роли, поскольку их структура более проста.
Появление РНК на нашей планете долгое время приводило исследователей в замешательство. Однако недавно был достигнут определенный прогресс. В 2022 году команда сотрудников из США сгенерировала стабильные цепочки РНК в лаборатории. Они сделали это, пропустив нуклеотиды через вулканическое стекло. Созданные ими нити были достаточно длинными для хранения и передачи информации.
Вулканическое стекло присутствовало на ранней Земле благодаря частым ударам метеоритов в сочетании с высокой вулканической активностью. Также считается, что нуклеотиды, использованные в исследовании, присутствовали в то время в истории Земли. Вулканические породы могли способствовать химическим реакциям, которые собрали нуклеотиды в цепочки РНК.
Гидротермальные источники
Фиксация углерода - это процесс, при котором CO2 получает электроны. Необходимо построить молекулы, которые составляют основу жизни.
Для запуска этой реакции необходим донор электронов. На ранней Земле донором электронов мог быть H2. В 2020 году группа сотрудников показала, что эта реакция может происходить спонтанно и подпитываться условиями окружающей среды, подобными глубоководным щелочным гидротермальным жерлам в раннем океане. Они установили это, используя микрофлюидную технологию, устройства, которые манипулируют крошечными объемами жидкостей для проведения экспериментов, имитируя щелочные отверстия.
Этот путь поразительно похож на то, как работают 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 расщепляют молекулы в сложных метаболических сетях, управляемых ферментами.
Но ученые все еще обсуждают, как протекали метаболические реакции до появления и эволюции этих ферментов. В 2019 году команда из Страсбургского университета во Франции совершила прорыв. Они показали, что двухвалентное железо, тип железа, который был в изобилии в ранней земной коре и океане, могло приводить в действие девять 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 получены все пять универсальных метаболических предшественников - пять молекул, которые являются фундаментальными для различных метаболических путей во всех живых организмах.
Строительные блоки древних клеточных мембран
Понимание формирования строительных блоков жизни и их сложных реакций - большой шаг вперед в понимании возникновения жизни.
Однако, независимо от того, разворачивались ли они в горячих источниках на суше или в морских глубинах, эти реакции не зашли бы далеко без клеточной мембраны. 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 структурированы в два слоя, при этом гидрофильные головки направлены наружу, а гидрофобные хвосты - внутрь.
Исследования показали, что некоторые компоненты фосфолипидов, такие как жирные кислоты, составляющие хвосты, могут самоорганизовываться в эти двухслойные мембраны в ряде условий окружающей среды. Но присутствовали ли эти жирные кислоты на ранней Земле? Недавнее исследование Ньюкаслского университета, Великобритания, дает интересный ответ. Исследователи воссоздали самопроизвольное образование этих молекул, объединив жидкости, богатые H₂, которые, вероятно, присутствовали в древних щелочных гидротермальных источниках, с водой, богатой CO2, напоминающей ранний океан.
Этот прорыв согласуется с гипотезой о том, что стабильные мембраны жирных кислот могли возникнуть в щелочных гидротермальных источниках, потенциально переходя в живые клетки. Авторы предположили, что аналогичные химические реакции могут происходить в подповерхностных океанах ледяных лун, которые, как считается, имеют гидротермальные источники, аналогичные земным.
Каждое из этих открытий добавляет новую деталь к загадке происхождения жизни. Независимо от того, какие из них оказались верными, противоположные теории подпитывают поиск ответов.
Как писал Чарльз Дарвин: "Ложные факты в высшей степени вредны для прогресса науки, поскольку они часто сохраняются надолго; но ложные взгляды, если они подкреплены какими-то доказательствами, наносят небольшой вред, поскольку каждый получает благотворное удовольствие, доказывая их ложность; и когда это сделано, один путь к ошибке закрывается, а дорога к истине часто в то же время открывается".
Источники:
https://phys.org/news/2024-05-unraveling-life-key-breakthroughs-years.html