Доказана теория о том, что жизнь зародилась из небиологических веществ в небольшом водоеме. Такую идею ранее высказал Чарльз Дарвин. Рассказываем, как изменились наши знания о возникновении жизни.
О чем говорит теория происхождения жизни из прудика?
Первая, самая знаменитая модель зарождения жизни на Земле принадлежит Чарльзу Дарвину, который в письме к одному своему другу предположил, что жизнь возникла в некоем «мелком, прогретом солнцем пруду».
Такие водоемы возникали на поверхности планеты при падении комет и метеоритов за несколько миллионов лет до того, как на ней возник первичный океан.
И до конца 70-х годов XX века, пока не состоялись те самые глубоководные экспедиции к разломам, эта гипотеза была самой популярной. Другие ученые начала XX века, такие как Джон Холдейн и Александр Опарин, согласились с Дарвином и развили его теорию.
Они независимо друг от друга предположили, что молодая Земля имела «восстанавливающую» атмосферу, то есть антагонистичную той, где продуцируется кислород. В такой атмосфере, например, никогда не будет ржаветь железо. Атмосфера того времени, возможно, была насыщена метаном и аммиаком, формируя идеальный «первичный бульон», из которого жизнь и появилась в каком-нибудь мелком водоеме.
В пользу этой теории говорит тот факт, что на поверхности суши присутствовал ряд критических важных для жизни элементов, например, молибдена, бора и азота, концентрация которых в первичном океане была крайне мала.
Как теорию пытались доказать?
Для того, чтобы первый организм появился, должны быть клетки, хотя бы одна.
По мнению ученых, появлению клетки поспособствовало накопление в окружающей среде органических веществ и появление пребиотических форм — протоклеток, которые стали связующим звеном между живой и неживой материей. Однако этих протоклеток уже нет на земле. Но ученые знают, что в них точно должно было содержаться:
- способная к саморепликации молекула с наследственной информацией;
- оболочка, ограждающая ее от окружающей среды.
Аналоги протоклеток удалось синтезировать в 2011 году биологам Токийского университета. В результате полимеразной цепной реакции (ПЦР) удалось добиться их полноценного самопроизвольного деления — аналогичного тому, что происходит в естественных условиях.
Для того, чтобы подготовить первичный субстрат, или, другими словами, коацерват, авторы работы взяли десятки органических компонентов, соотношение которых предварительно рассчитали на компьютере. Соединившись, эти вещества сформировали в субстрате коацерватные пузырьки с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри.
Однако этого еще было недостаточно, чтобы подтвердить, что живое может происходить из неживого. ДНК не способна к самовоспроизведению без участия определенных ферментов — специфических белков, которые катализируют все этапы ее репликации. Японским ученым удалось создать ее в лаборатории, но, опять же, с использованием биологических компонентов.
Что послужило материалом для первой жизни?
Новое исследование международной группы ученых было заточено под то, чтобы найти потенциальные механизмы образования первых клеток «с нуля» — только в ходе химических процессов, без участия биологии.
Они изучили широкий спектр соединений, которые могли сформироваться в результате пребиотических реакций в условиях ранней Земли.
И обнаружили, что многие из этих веществ — эфиры, амины, азиды, имиды и другие — при определенных условиях полимеризуются легче, чем биологические соединения. А некоторые даже спонтанно создают клеточно-подобные структуры — компартменты. По мнению авторов, цепочки полимеров внутри таких компартментов, закручиваясь, могли образовать уникальные трехмерные формы — прообразы белков или РНК.
Для получения полимерных цепочек в лаборатории авторы использовали периодическую смену сухих и влажных условий. При испарении разбавленного раствора, как правило, начинался процесс полимеризации, но не все образовавшиеся полимеры выдерживали сушку. Некоторые распадались. А другие при добавлении воды продолжали самовоспроизводящийся цикл синтеза. В этом авторы видят самое раннее, еще на уровне молекул, проявление эволюционного отбора, который впоследствии стал неотъемлемым признаком всех живых организмов.
Исследователи изучили полимеры под микроскопом и обнаружили, что внутри некоторых появились компартменты величиной с клетку: в них было от 10 до 20 атомов. По мнению ученых, со временем эти клеточно-подобные агрегаты после долгих химических преобразований могли стать полноценными клетками — самоорганизующимися структурами, состоящими уже из миллионов атомов.
Что было важно для зарождения первых клеток?
Условия в прудике, о которых говорил Дарвин, были основой для зарождения жизни, это подтвердили исследования. Особенность абстрактного прудика заключается в том, что он то становится наполненным водой, то пересыхает. То есть циклическое чередование влажных и сухих периодов способствует появлению в химической системе сложных пребиотических соединений, подтверждают и физики.
Авторы исследовали коацерваты полиэлектролитов в жидкой среде, имеющей такой же состав, как и вода в пруду. Они смоделировали условия, когда прудик то пересыхает, то снова наполняется дождевой водой. И выяснили: в первом случае концентрация нуклеиновых кислот и солей увеличивается, во втором — уменьшается. Внутри же полимерных компартментов она не меняется.
По мнению исследователей, это стало ключевым фактором постепенного формирования внутри протоклеток сложных самовоспроизводящихся полимерных соединений, таких как РНК.
Соответственно, для жизни нужно три условия:
- компартментализация,
- саморепликация,
- метаболизм.
Читать также
Нейроны в мозге человека и сеть галактик оказались похожи
Из-за движения плит дно Тихого океана сейчас находится глубоко под Китаем
Ученые взломали робот-пылесос для удаленной записи разговоров пользователей