Около 3,5 миллиардов лет назад до появления жизни на Земле океаны представляли собой суп из случайно перемешанных молекул. Затем, каким-то образом, некоторые из этих молекул организовали себя в хорошо организованные цепочки ДНК, защитные клеточные стенки и крошечные органоподобные структуры, способные поддерживать клетки живыми и функционирующими. Но то, как они достигли этой организации, давно сбило с толку ученых. Теперь биофизики из университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене думают, что у них есть ответ: пузыри.
Начало жизни не было мгновенным. Ранние молекулы-предшественники каким-то образом превращаются в строительные блоки жизни, такие как РНК, ДНК, соли и липиды. Затем эти молекулы организовались, чтобы сформировать первые ранние версии клеток, которые затем стали первыми одноклеточными организмами.
«Это основа для всех живых организмов», - сказал в прямом эфире Live Science Дитер Браун из университета Людвига-Максимилиана, ведущий автор исследования.
По словам Брауна, для того, чтобы клетки могли сформироваться, начать размножаться и вести собственную жизнь на исконной Земле, однако все химические части сначала должны были собраться вместе, сказал Браун.
В глубоком океане, где многие ученые считают, что жизнь зародилась, могли присутствовать такие молекулы, как липиды, РНК и ДНК; но даже в этом случае они были бы слишком разбросаны, чтобы могло случиться что-нибудь интересное.
«Молекулы теряются. Они распространяются», - сказал Браун. «Реакция не произойдет сама по себе».
Ученые согласны с тем, что для агрегации молекул и их реакции друг с другом была необходима какая-то сила, сказал в интервью Live Science химик из Токийского технологического института Хендерсон Кливс. Исследователи просто не согласны с тем, что это была за сила.
Вот тут и появляются пузырьки.
Пузыри были повсюду в раннем морском пейзаже Земли. Теплые глубоководные вулканы источали шипучие перья. Эти воздушные шары, расположенные на пористой вулканической скале. Это были условия, которые Браун и его коллеги пытались воспроизвести. Они создали сосуд из пористого материала, который имитировал текстуру вулканической породы, а затем наполнил его, в свою очередь, шестью различными решениями, каждое из которых моделировало свою стадию в процессе формирования жизни. Одно решение, представляющее собой раннюю стадию, содержало сахар под названием RAO, который был бы необходим для конструирования нуклеотидов, строительных блоков РНК и ДНК. Другие решения, представляющие более поздние стадии, содержали саму РНК, а также жиры, необходимые для создания клеточных стенок.
Затем исследователи нагревали раствор на одном конце и охлаждали его на другом. Они создавали нечто, называемое «температурный градиент», при котором температура постепенно изменяется от одного конца к другому, подобно тому, как вода у глубоководных термальных источников постепенно меняется от горячей к холодной.
«Это как микро-океан», - сказал Браун.
В каждом решении изменение температуры заставляет молекулы слипаться - и они тяготеют к пузырькам, которые естественным образом образуются в этих условиях. Почти сразу они начали реагировать.
Сахары образуют кристаллы, своего рода каркас для нуклеотидов РНК и ДНК. Кислоты образовывали более длинные цепи, делая еще один шаг к образованию сложных, РНК-подобных молекул. Наконец, молекулы упорядочились в структуры, которые напоминали простые клетки. По словам Брауна, в базовом смысле клетки - это молекулы, заключенные в пакеты из жиров. Именно это и произошло на поверхности его пузырьков: жиры расположились в сферах вокруг РНК и других молекул.
По его словам, самым удивительным для Брауна и его коллег было то, как быстро эти изменения произошли менее чем за 30 минут.
«Я был поражен», - сказал он. Хотя он и его коллеги впервые обратили особое внимание на пузырьки, исследователи ранее пытались воспроизвести, как эти биологические молекулы претерпевают сложные реакции, необходимые для жизни. Обычно, по его словам, эти реакции занимают часы.
Однако некоторые химики скептически относятся к тому, что пузырьки Брауна являются точным представлением первичной среды. Браун и его коллеги посеяли свое решение со многими сложными молекулами, необходимыми для жизни. Даже их самые простые решения все еще представляли более поздние стадии процесса формирования жизни, сказал в интервью Live Science Раманараянан Кришнамурти, химик из Института океанографии Скриппса, который не участвовал в исследовании. Это немного похоже на выпечку торта с коробкой, а не на пустом месте.
По словам Кришнамурти, древние океаны, возможно, не имели необходимых условий для формирования этих исходных молекул.
Плюс, пузырьковый эксперимент проводился в крошечных масштабах. Это важно, потому что это означает, что изменение температуры от одного конца теста к другому было очень резким. В действительности, температурные градиенты под океаном более постепенны, сказал Кливс.
Тем не менее, Браун утверждал, что есть несколько причин, почему пузыри могут быть идеальным местом для начала жизни. Во-первых, они обеспечивают идеальный интерфейс между воздухом и водой. Без воздуха многие реакции, необходимые для жизни, не могли бы произойти. Например, фосфорилирование, реакция, которая позволяет маленьким молекулам образовывать сложные молекулярные нити, должна происходить по меньшей мере в частично сухих условиях. Внутри пузырей это не проблема; даже если они крошечные, пузырьки обеспечивают идеальную среду для высыхания этих реакций, по крайней мере, временно.
Но есть еще одна важная роль, которую могут играть пузыри: они создают порядок. В спокойной воде молекулы обычно распространяются без особого расположения. Пузыри, однако, дают молекулы - и, возможно, начало жизни - нечто, за что можно цепляться в хаотическом мире.
