Как неживые химические вещества однажды превратились в первые живые организмы? Этот вопрос остаётся одной из главных загадок науки. Теперь исследователи обнаружили необычный химический механизм, который мог помочь сохранить важнейшие молекулы на молодой Земле и создать условия для возникновения жизни.
В центре открытия оказались два, казалось бы, совершенно обычных вещества: сахар рибоза и химический элемент бор. Учёные выяснили, что они способны помогать друг другу сохраняться в окружающей среде, образуя своеобразный замкнутый цикл.
Результаты исследования, проведённого специалистами Университета Нового Южного Уэльса в Австралии, опубликованы в журнале Scientific Reports.
Чтобы понять значение открытия, нужно вернуться к самым ранним этапам истории Земли.
Учёные предполагают, что некоторые необходимые для жизни органические соединения могли попадать на нашу планету вместе с космическими телами. Например, на астероиде Бенну были обнаружены важные химические компоненты, включая сахара.
Одним из таких веществ является рибоза — сахар, который входит в состав рибонуклеиновой кислоты, или РНК.
Сегодня гораздо известнее ДНК, хранящая наследственную информацию. Однако РНК выполняет не менее важные задачи: участвует в передаче генетических инструкций, синтезе белков и регулировании активности генов.
Более того, согласно одной из гипотез происхождения жизни, именно молекулы РНК могли сыграть ключевую роль на ранних этапах возникновения живых систем.
Но здесь возникает серьёзная проблема.
Рибоза — довольно нестабильное соединение. Под воздействием тепла и некоторых других факторов она легко разрушается, образуя тёмную смолоподобную массу. Если этот сахар не мог достаточно долго сохраняться в условиях древней Земли, то каким образом он участвовал в формировании первых сложных биологических молекул?
Австралийские исследователи предположили, что ответ может быть связан с бором.
Этот элемент способен взаимодействовать с рибозой, образуя устойчивые химические комплексы. Благодаря этому бор может защищать молекулы сахара от разрушения.
Однако у самого бора есть проблема: в присутствии кальция он может связываться в труднорастворимых минералах и становиться недоступным для химических реакций в воде.
Получается своеобразное противоречие. Рибозе нужен бор для стабильности, но бор может оказаться заперт внутри горных пород.
Чтобы разобраться в этом процессе, учёные провели серию экспериментов с четырьмя соединениями бора: бурой, кернитом, колеманитом и улекситом. Некоторые из этих минералов содержат кальций, который препятствует переходу бора в раствор.
Исследователи погружали вещества в воду и измеряли, сколько бора растворяется. Затем повторяли опыт, добавляя рибозу.
Результат оказался неожиданным.
Присутствие рибозы заметно увеличивало количество бора, переходящего из минералов в воду. Особенно сильно этот эффект проявлялся в соединениях, содержащих кальций.
Фактически сахар помогал освобождать бор из минералов, делая его доступным для дальнейших химических взаимодействий.
Затем учёные решили проверить, будет ли этот механизм работать не только с отдельными минералами в лаборатории, но и с природными образцами.
Для этого они использовали пористую минеральную корку, собранную в высокогорной гидротермальной системе Пуга в индийском регионе Ладакх. Подобные условия исследователи рассматривали как возможный аналог химической среды древней Земли.
Когда образец поместили в воду, из него высвободилось некоторое количество бора. Но после добавления рибозы концентрация растворённого элемента увеличилась примерно на 60%.
Это показало, что обнаруженный эффект может проявляться и в более сложных природных условиях.
Следующий эксперимент был посвящён ещё одному важному вопросу: способна ли частично разрушенная рибоза выполнять ту же функцию?
Учёные искусственно подвергли сахар разрушению с помощью нагревания, щелочной среды и химических реакций, имитируя своеобразную карамелизацию.
Выяснилось, что продукты распада тоже могут немного увеличивать растворимость бора, однако действуют значительно слабее свежей рибозы.
Например, при использовании колеманита разрушенный сахар увеличивал концентрацию растворённого бора примерно на 50%. А обычная рибоза повышала её приблизительно в 3,5 раза.
Исследователи также проверили глюкозу и сахарозу. Оба сахара оказались способны улучшать растворимость бора, но уступали рибозе.
Вероятно, причина заключается в особом строении её молекул, которое позволяет эффективнее образовывать устойчивые комплексы с бором.
Все эти результаты привели учёных к интересной гипотезе.
Представим водоём на молодой Земле, где присутствуют минералы бора и небольшое количество рибозы.
Молекулы сахара помогают высвобождать бор из горных пород и переводить его в воду. Растворённый бор, в свою очередь, связывается с рибозой и защищает её от разрушения.
Чем больше рибозы сохраняется, тем больше бора может переходить в раствор. А дополнительный бор способен защищать ещё больше молекул сахара.
Таким образом возникает самоподдерживающийся химический цикл, в котором два вещества взаимно помогают друг другу.
По мнению исследователей, подобный механизм мог способствовать накоплению рибозы в условиях древней Земли и тем самым создавать благоприятную среду для появления молекул РНК.
Но у этой гипотезы обнаружилась ещё одна любопытная особенность.
Оказалось, что бор способен не только помогать рибозе, но и мешать её появлению.
В больших количествах соединения бора подавляют образование самого сахара. Поэтому для возникновения подобной системы требовалось определённое равновесие.
И здесь неожиданно полезным мог оказаться кальций.
Хотя он связывает бор в труднорастворимые минералы, именно это свойство могло первоначально удерживать концентрацию бора на достаточно низком уровне, позволяя рибозе образовываться.
Затем, когда сахар уже появился, он мог начать высвобождать бор из минералов и запускать описанный химический цикл.
Исследователи также предполагают, что изменения кислотности воды, характерные для гидротермальных источников, могли помогать рибозе освобождаться из комплексов с бором и вступать в другие химические реакции.
В результате в природной среде могла существовать сложная система взаимодействий, в которой одни условия способствовали образованию рибозы, другие — её сохранению, а третьи — дальнейшим превращениям.
Конечно, эксперимент не доказывает, что именно таким образом на Земле возникла жизнь. Учёные обнаружили потенциально важный химический механизм, который мог помочь решить одну из проблем, связанных с происхождением первых биологических молекул.
Авторы также подчёркивают важность использования настоящих природных минералов. Предыдущие исследования часто проводились с очищенными лабораторными веществами, которые не всегда отражают сложные условия древней Земли.
Новая работа показывает, что взаимодействия между минералами, сахарами и водой могут быть гораздо интереснее, чем предполагалось.
И возможно, одним из ключевых событий на пути от неживой материи к первым организмам стало удивительно простое химическое сотрудничество: сахар помогал высвобождать бор, а бор помогал сахару не разрушаться.
Если эта гипотеза подтвердится в дальнейших исследованиях, она позволит лучше понять, как необходимые для жизни молекулы могли сохраняться и накапливаться задолго до появления первых живых существ.
