Не в океане. Ученые опровергли основную теорию зарождения жизни
24 октября 2022 15:37
Американские химики установили, что пептидные связи — основа белков — не могут образовываться в водной среде. Легче всего сложные органические соединения формируются на границе между водой и воздухом — например, в морских брызгах. То есть для зарождения жизни необходимы и океан, и атмосфера.
Происхождение
Есть две основные теории возникновения жизни на Земле. Первая — абиогенная. Суть в том, что сложные органические соединения — “кирпичики жизни”, центральное место среди которых занимают аминокислоты, — образовались из неорганических веществ непосредственно на нашей планете в результате пребиотических реакций.
Впервые это предположение высказал в 1922-м российский биолог Александр Опарин. А в середине 1950-х американские биохимики Стэнли Миллер и Гарольд Юри подтвердили гипотезу экспериментально, получив аминокислоты из простейших соединений — таких как вода, аммиак, угарный газ и метан. Для этого в лаборатории воссоздавали условия ранней Земли: нагревали “первичный бульон” до кипения, пропускали пар через колбу, в которую вставлены электроды, а затем охлаждали.
Вторая теория называется “панспермия”. Ее сторонники утверждают, что жизнь пришла из космоса. Эту идею, высказанную еще в XIX веке, долгое время считали антинаучной. Но потом оказалось, что космос наполнен “кирпичиками жизни”. Спектры сложных органических молекул присутствуют в межзвездном пространстве. В составе комет есть соли аммония и другие соединения, которые могут привести к образованию мочевины, аминокислот и нуклеотидов. А в метеоритах — полный набор азотистых оснований, необходимых для ДНК и РНК.
Ключевая реакция
Вопрос появления на Земле основных пребиотических молекул — аминокислот — решается легко. Сложности возникают дальше. Довольно трудно объяснить, как из первичных “кирпичиков” образуются сложные биополимеры, составляющие основу всего живого, — пептиды, белки и нуклеиновые кислоты.
С химической точки зрения, пептиды — это молекулы, построенные из двух и более аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями —C(O)NH—. Дипептиды — цепочки из двух аминокислот. Когда их несколько — это полипептиды, более 50 — уже белки.
Образование пептидных связей — одна из важнейших биохимических реакций. В организме она катализируется (ускоряется) ферментами. В клетках есть специальные органеллы — рибосомы, которые работают как макромолекулярные машины для быстрого производства необходимых белков. В каком порядке собирать пептиды, определяет генетический код.
В лабораторных условиях синтез даже коротких пептидных цепочек — многоэтапный процесс, чрезвычайно капризный к внешним условиям и требующий катализаторов. В основе его лежит реакция дегидратации — аминокислотные остатки соединяются между собой с выделением молекул Н2О.
Основная сложность заключается в том, что в водной среде, где, как традиционно считается, зародилась жизнь, дегидратация возможна лишь при участии органических ферментов, которых на пребиотической стадии быть не могло. При этом для поддержания любых форм жизни необходима вода. Получается замкнутый круг.
Из двух аминокислот с разными радикалами R образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды. По той же схеме протекает и синтез более длинных цепочек — полипептидов и белков
Брызги жизни
Свой вариант решения “водного парадокса” предложили американские ученые из Университета Пердью. Их статья вышла в журнале PNAS. Более десяти лет они занимаются капельной химией — с помощью методов масс-спектрометрии изучают реакции в субмикронных каплях жидкостей. В частности, исследователи выяснили, что преобразование аминокислот в пептиды в микрокаплях идет на несколько порядков быстрее, чем в традиционных растворах. За счет этого отпадает необходимость в катализаторах, сложных органических ингредиентах или дополнительном воздействии в виде излучения или электрических разрядов.
Распыляя микрокапли воды, содержащей две различные аминокислоты — глицин и L-аланин, на масс-спектрометр, ученые наблюдали формирование дипептидных связей. Таким образом они доказали, что первичные органические молекулы, простые аминокислоты, спонтанно образуют строительные блоки жизни в каплях чистой воды.
Авторы полагают, что и в прошлом наиболее благоприятные условия для термодинамически выгодного синтеза пептидов возникали на границе раздела водной и воздушной сред — например, на поверхности микроскопических капель, создаваемых морскими волнами.
“Атмосферные аэрозоли или морские брызги могли обеспечить уникальную и широко распространенную среду для преодоления энергетического препятствия, вызванного конденсацией и полимеризацией биомолекул в воде”, — сказано в статье.
Ученые надеются, что их открытие найдет конкретное практическое применение. Они уже построили в Университете Пердью экспериментальную установку, действующую по принципу капельной технологии. В перспективе такую аппаратуру можно будет использовать для ускоренного синтеза сложных органических веществ и разработки новых лекарств, считают исследователи.
