У вчених з'явилося нове пояснення того, як на Землі могла розвинутися життя

Історія еволюції не раз ставала свідком вічних суперечок про те, що було першим – яйце чи курка, — проте одна з найцікавіших загадок звучить наступним чином: чи існувала життя до появи нуклеїнових кислот? І в рамках нового дослідження вчені надали доказ того, що примітивна біохімія була здатна з'являтися і розвиватися без фосфатів – одного з найважливіших і ключових структурних компонентів нуклеїнових кислот, що входять до складу нашої генетичної хімії, — що додає ваги припущеннями, згідно з яким ще до появи життя вже міг існувати метаболізм.

Вчені з Массачусетського технологічного інституту і Бостонського університету виявили деяке число альтернативних метаболічних шляхів, при яких не потрібно було б участь фосфатів. Відкриття здатне заповнити прогалини в нашому розумінні того, як складна органічна хімія породила життя на нашій планеті.

Те, що ми звикли сьогодні називати життям, багато в чому грунтується на не зовсім ідеальною реплицирующей хімії, де потрібна наявність певного шаблону, який можна скопіювати, а також певного обсягу енергії, якої вистачить для фізичного перетворення простих хімічних речовин на основі вуглецю в більш складні форми. І питання тут в тому, що було першим: хімічний код, який міг би розвинутися в більш складну форму, або більш складні шляхи, які могли б використовувати енергію для перетворення простих хімічних речовин в більше складні органічні сполуки.

Згідно з так званої гіпотези РНК-світу, вільно плаваючі ансамблі молекул рибонуклеїнових кислот (РНК), що виконували функції зберігання генетичної інформації і були свого роду тими самими шаблонами, сприяли прискоренню процесів хімічних реакцій, які зараз можна охарактеризувати як процесу появи життя. Питання в цьому концепті викликає те, що молекули РНК не змогли б цього зробити без джерела енергії, необхідного для послідовності хімічних реакцій, які, в свою чергу, можна було б розглядати в якості ранньої форми метаболізму (обміну речовин). Крім того, в молекулах РНК містяться фосфати – речовини, щільно вплетающиеся в навколишнє середовище і, отже, складно піддаються вбудовуванню в органічні сполуки.

Згідно з іншою гіпотезою, самі ранні форми метаболічної хімії, не скуті клітинними мембранами, спочатку отримали можливість поглинання енергії з навколишнього середовища – у формі тепла або світла – і передачі її від однієї хімічної реакції до іншого всередині органічного супу (такого первинного бульйону, в якому зародилося життя). У кінцевому підсумку цей примітивний обмін речовин (метаболізм) об'єднався з молекулами РНК і знаходився в такому стані до тих пір, поки не знайшов притулку всередині окремих жирових кульок – молекул, які зараз можна було б розглядати в якості перших клітин.

І все ж енергетичний обмін в сучасних організмах заснований навколо таких сполук, як аденозинтрифосфат (АТФ) і никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), тобто знову ж таки пов'язаний з фосфатами.

Альтернативні метаболічні шляхи, які були визначені вченими в рамках нового дослідження, засновані на молекулах, в основі яких лежить сірка — речовина, присутнє в достатку в земних океанах кілька мільярдів років тому.

«Важливість цього дослідження полягає в тому, що тепер в рамках нових спроб дізнатися джерело виникнення життя повинна буде прийматися до уваги ймовірність її появи без участі фосфатів, які зараз розглядаються одним з найважливіших її складових, але яких могло і не бути, коли почалися перші хімічні реакції, які призвели до її появи», — говорить дослідник Даніель Сержа з Бостонського університету.

Ідея про те, що центральну роль у метаболічному процесі могла колись грати сірка – далеко не нова. Ще на початку XX століття німецький хімік Вахтершаузер висловив припущення, що з'єднання сульфіду заліза і сульфіду нікелю можуть відігравати роль каталізатора процесу фіксації вуглецю навколо глибоких океанічних вулканічних потоків і діяти в якості механізму енергетичного обміну між, як він їх називав, «первородными організмами». Однак відсутність переконливих доказів, що об'єднують між собою різноманітність хімічних реакцій, залучених в цю «сульфідно-залізну гіпотезу», не дозволило підтвердити це припущення.

«Те, що залишалося завжди втраченим, було браком переконливих доказів, заснованих на даних про те, що ці ранні хімічні процеси могли представляти собою пов'язану і відносно складну примітивну метаболічну мережу, а не просто були неуважними реакціями», — коментує Сержа.

Сержа і його команда застосували метод обчислювальної системної біології – теоретичного підходу, при якому для вивчення різноманітних шляхів біохімічних реакцій використовуються математичні моделі і визначили набір з восьми не містять фосфати сполук, які могли мати в достатку в стародавніх океанах нашої планети. Потім вони застосували алгоритм для симуляції примітивного енергетичного обміну, що включає сульфіди заліза, а також сульфідо-містять сполуки – тиоэфиры – і почали стежити за тим, які різні хімічні реакції можуть з ними відбуватися.

У результаті було виявлено, щорезультатом основної мережі з 315 реакцій з участю 260 метаболітів могло б стати виробництво різних складних органічних сполук, необхідних для появи життя. У список цих сполук увійшли також амінокислоти та карбонові кислоти.

Так як рання біоорганічна хімія не змогла залишити достатньо доказів свого існування у вигляді древніх відкладень, доводиться використовувати такі математичні моделі, здатні передбачити те, що могло відбуватися багато мільярдів років тому. І хоча подібні дані навряд чи можна використовувати в якості доказів безфосфатного розвитку життя, вони можуть стати одним із доказів можливості того, що життя з'явилася з хімічних сполук, на які зовсім не годиться більшість сучасних організмів. Крім того, використання подібних даних може виходити далеко за рамки звичайних обговорення питань про те, як могла сформуватися життя на нашій планеті.

«Аналіз метаболізму з точки зору екосистемного рівня або навіть в якості планетарного феномену, а не як індивідуальної особливості конкретних організмів, може мати практичне значення і для нашого розуміння мікробного співтовариства», — говорить Сержа.

Результати досліджень групи вчених з Массачусетського технологічного інституту і університету була опублікована в одному з останніх номерів наукового журналу Cell.