Жизнь на водной основе появилась без воды?
При попытке понять происхождение жизни на Земле исследователи сталкиваются с парадоксом: в то время как вода является незаменимым компонентом для всех известных форм жизни, существующих сегодня, вода также препятствует образованию цепочек полимеров нуклеиновой кислоты, таких как РНК, которые были, вероятно, прекурсорами жизни.
Возникает вопрос: как образовались нуклеиновые кислоты в первую очередь? Одним из решений этого «водного парадокса» является то, что жизнь может возникнуть в чем-то другом, кроме воды, и только позже может быть адаптирована к присутствию воды.
«Мы очарованы возможностью того, что жизнь на водной основе может возникнуть без воды вообще», — говорит исследователь Гарвардского университета Захари Адам.
Адам и другие исследовали изучали кандидата на водную альтернативу, называемую формамид, прозрачную жидкость, состоящую из водорода, кислорода, углерода и азота. Формамид не только способствует образованию полимерных связей больше, чем воде, он также реагирует с другими молекулами с образованием нуклеотидов, аминокислот и некоторых других основных соединений, необходимых для получения нуклеиновых кислот.
Но здесь есть одна проблема: формамид не встречается естественным образом в каком-либо значительном количестве в любой точке Земли. Хотя формамид широко используется в промышленности в качестве растворителя для изготовления фармацевтических препаратов и пестицидов, весь этот формамид производится синтетически.
Формамид (HCONH2, FA) действительно существует в космосе, и ранее мотивировал исследователей предпологать, что он, возможно, был перенесен на Землю через кометы или метеоры. Но вряд ли этот сценарий мог бы создать большие концентрированные запасы формамида, необходимые для формирования прекурсоров жизни.
В новой публикации, группа исследователей, возглавляемая Адамом и соавтором Масаси Аоно в Университете Кейо и Токийском технологическом институте, продемонстрировала возможность того, что формамид, возможно, был произведен в изобилии в некоторых местах ранней Земли.
В экспериментах исследователи облучали цианид водорода и ацетонитрил — два химических вещества, присутствующих на ранней Земле, с гамма-лучами. Они обнаружили, что формамид является одним из основных продуктов.
Хотя в своих экспериментах исследователи использовали цилиндр кобальта-60 для создания гамма-лучей, они полагают, что на ранней Земле излучение могло быть получено из радиоактивных месторождений полезных ископаемых (обнаруженных сегодня по всему миру) или зон деления урана. Известно, что в настоящее время только один регион содержит доказательства небольшого участка урановых зон, которые существовали в геологической истории Земли — регионе Окло в Габоне, в Африке, — но эти зоны активизировались только после того, как возникла жизнь.
Исследователи подсчитали, что если бы подобные зоны существовали 4 миллиарда лет назад, один участок мог бы производить на 6 порядков больше формамида в данной области, чем тот, который быть доставлен на Землю через кометы и метеориты. Полученные результаты показывают, что радиоактивные минеральные отложения могут образовывать достаточное количество формамида для накопления до высоких концентраций, которые могли образовывать крупные формамидные резервуары, в которых нуклеиновые кислоты могли образовываться в качестве предшественников первых живых организмов.
«Часто проблема истоков жизни считается решаемой, если мы могли бы понять, как прототипные строительные блоки жизни, такие как биополимеры и метаболиты, могут формироваться в правдоподобных средах на ранней Земле», — сказал Аоно. «Но нас не устраивает такой образ мышления. Жизнь не следует рассматривать как мешок, полный строительных блоков, но его следует понимать как сложную сеть химических реакций».
Как объясняют исследователи, излучение особенно уникально как источник энергии для истоков жизни по сравнению с окислительно-восстановительной химией или простым нагревом. Как говорит Захари Адам, это связано с тем, что радиация «управляет экспансивной сетью реакций, а не просто множеством продуктов для массива входных данных».
Конечно, исследователи только показали, что могло произойти, а не то, что произошло. В будущем они планируют продолжить изучение всех возможных сценариев возникновения истоков жизни и изучить правдоподобие каждого их них.
«Сейчас мы пытаемся оценить, демонстрирует ли полная сеть движущихся реакций признаки, обнаруженные во многих разных масштабах сложных живых систем, таких как клеточные метаболические сети, динамика популяций и даже экологические отношения», — сказал Масаси Аоно.
Больше информации: Zachary R. Adam et al. «Estimating the capacity for production of formamide by radioactive minerals on the prebiotic Earth.» Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-017-18483-8