Животът е по-стар от Земята. Космичният каталитичен реактор

Една от загадките на произхода на живота на Земята е фактът, че той се е зародил скоро след формирането на самата планета. Първите опити за абиогенезис на Опарин и Милър от миналия век потвърждават, че от смес от прости газове в електрически разряди може да се синтезират сложни органични молекули, но те не обясняват как от първичния бульон ще се формират първите нуклеотидни молекули, т.е. мономерите на РНК и ДНК. Случайно няма да стане, защото нуклеотидите са твърде сложни молекули - за това нама да са достатъчни всичките 5 милиарда години на съществуване на Земята.

Физици от Института по катализа и няколко други института на СО РАН представят интересна хипотеза - сложните органични съединения са се образували още в газово-праховия облак, от който се е формирала Земята, т.е. Животът е възникнал заедно с нашата планета.

Илюстрация: elementy.ru

Огромният газово-прахов облак, който се е въртял около Протослънцето е бил не просто облак, а огромен каталитичен реактор, в който химичните реакции са синтезирали различни органични съединения. Протопланетният прах е съдържал желязо, никел и силиций, имало е и изобилие от газообразни реагенти - основни компоненти на междузвездния газ - водород, въглероден оксид и т.н. , така че просто е било неминуемо образуването на органични съединения. Точно така например в промишлеността се добиват въглеводороди и кислородосъдържащи органични вещества като спирт и алдехиди - от водород и въглероден оксид на желязо-никелови прахови частици.

Това, че съставът на метеоритите че такъв, че може да служи за катализатор на такива реакции е и експериментално потвърдено - като са използвани стрити до наноразмери скални и железни метеорити и смес от въглероден окис, водород и хелий при атмосферно налягане и температури до 500 ° С.

Формирането на Земята, а и на коя да е планета, заедно с химическите реакции за образуване на органични молекули е много сложен процес, но биха могли да бъдат симулирани някои основни етапи от него на компютър. Математиците от Института по изчислителна математика и математическа геофизика към СО РАН са моделирали този процес и можете да се запознаете с работата им: ОПЕРАТОРНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ЗАДАЧ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ, В. А. Вшивков, Г. Г. Лазарева. Тя показва образуването на планети като самоорганизация на материята в резултат на въздействието на тяхната протозвезда, като се взема предвид обратната връзка и химичните реакции на средата.

В изчисленията си са възпроизвели топки, дискове, пръстени, спирални ръкави, т.е. всичко, което астрономите наблюдават в космоса. Спирали и пръстени възникват при развитието на нестабилността на колективното движение на тела заедно с газ. Анализът на развитието на нестабилността показва, че тези структури се появяват, когато масата на твърдите частици в газа е над определена стойност. Общата маса на всички тела около протозвездата може да се увеличи в резултат на въртене - обичайния ефект на центрофугата. Освен това, подобно на пластелин, органичната материя, която лесно се синтезира върху твърдите катализатори, слепва праховите частици в газа, т.е. процесът има и обратна връзка.

И така се оказва, че планетата ни се е формирала заедно с "протопланетна" органична материя, от която на Земята са започнали и физико-химическите процеси, довели до Живот. Някои размисли на тема "Що е живот?" вече споменах в Теории за призхода на живота, и един от основните белези на живота е биологичната памет, даваща възможност да се натрупва и предава генетична информация - тя е в основата на естествения подбор.

Автокаталитичните реакции - предшественици на РНК и ДНК

А във всички живи организми в основата на биологичната памет са РНК и ДНК. Спонтанно възниква въпроса: "Възможно ли е да е имало по-прости предшественици на РНК и ДНК, които да са притежавали свойства, подобни на молекулярната памет?' Такива са автокаталитичните системи, системи, в които химическите реакции се ускоряват от собствените си крайни продукти на реакцията. С други думи, в автокаталитичните реакции както при живите организми става възпроизвеждане, т.е. молекулите самостоятелно се репликират. Реакцията може да се запише като R + X -> 2 X. като X е молекула автокатализатор, а R - "'молекулярна храна". В една отворена система, където има обмен на материя с околната среда, но количеството 'храна' е ограничено, изчисленията показват, че концентрацията на автокатализаторите линейно нараства с количеството на храната. Но концентрацията на храна трябва да надвишава някакъв минимум, в зависимост от характеристиките на конкретния автокатализатор. Ако това не стане, тогава количеството автокатализатори става нула. За автокаталитичните реакции - в Хиперциклите.

"Естественият" отбор на автокатализатори Xi в намаляваща и последващо увеличаваща се концентрация на "храна" R. Оцелява само автокатализатор X3, чиято критична концентрация на храна Rкр3 е по-малка от минимално изискваната граница на храна (празната точка)

Илюстрация: elementy.ru

Сега си представете, че структурата или състава на молекулите може по някакъв начин да се променя. Промяната на структурата и състава на молекулата води до промяна в нейните качества и така всяка променена молекула ще има своя критична концентрация на храна. Ако концентрацията на храна намалее, ще изчезват тези автокатализатори, чиято критична концентрация на храна е над реалната, а ако количеството на храната ще се повиши отново, изчезналите катализатори няма да се появят. Това е естествен подбор, подобен на селекцията в биологичните популации.

Реакцията на Бутлеров. Хипотезата за ролята на захарите във формирането на живота

Такива автокаталитични реакции с мутация на автокатализаторите и елементи на "естествен подбор" има и това е т.н. "формозна" реакция на Бутлеров, открита преди почти 150г. и представлява синтез на захари от формалдехиди. При нея се получават цял набор разнообразни захари.

За автокатализатори на реакцията на Бутлеров служат самите синтезирани в нея захари. Интересно е, че тази реакция е активно изследвана през 70-те години на миналия век, защото са искали да я използват за да получат изкуствена храна за далечни космически мисии като на Марс, например.

Илюстрация: elementy.ru

Пълното химично наименование на ДНК и РНК - рибонуклеинова киселина и деоксирибонуклеинова киселина и основата на двете имена е думата 'рибоза'. Рибозата е захар с пет въглеродни атома, която е в основата на нуклеотидите, формиращи ДНК и РНК.

Илюстрация: elementy.ru

Следва да се отбележи, че друг важен химически компонент на живите организми - преносителят на енергия ATФ (аденозин трифосфат) - съдържа също монозахарид рибоза. С други думи - захарта е основа на живота, отговорна за биологичната памет.

Полезните мутации в живите организми са изключително редки, а още по-малко е вероятно тяхното фиксиране - затова, естественият подбор в природата е много бавен. В лабораторни условия, при реакцията на Бутлеров и полезни и вредни мутации се срещат в един много кратък период от време. Дори е въпрос на няколко минути, както показват изследванията на групата на академик В. Н. Пармон от Института по катализа на СО РАН. Това е съвсем различна скорост на химическата селекция, което означава, че първите прототипи на живи обекти наистина може да се появят само за няколко милиони, може би дори стотици хиляди години.

Хипотезата за значението на автокаталитично синтез на захари може да хвърли светлина върху загадката на хиралността в живия свят - в живите организми са представени само десните изомери на захарта и само левите на аминокиселините. Според тази хипотеза за автокаталитичния синтез на захари, се оказва, че присъствието в живите организми само на десните изомери е случайност. Молекулите на почти всички захари имат свойството хиралност и ако един вид молекула на захарите-автокатализатори има значително "еволюционно" предимство пред другите, много бързо може да "изяде" останалите. Това е подобно на случайния първоначален минимален превес на материята над антиматерията, който е определил вида на Вселената ни.

Метаболизъм в лаборатория

В рамките на ново изследване, финансирано от Wellcome Trust, учени от Университета в Кеймбридж са успяли да пресъздадат в лаборатория химичната структура на най-ранните океани на нашата планета. Те са разбрали как са възникнали метаболитните процеси - каскадите от реакции, които се случват във всички клетки, осигуряващи необходимите вещества за оцеляване. Изследването е пуликувано в Molecular Systems Biology на 25.04.2014г.

"Мнозина смятат, че това е един много сложен процес, - казва ръководителят на изследването Марк Relser (Markus Ralser). - Но нашите резултати показват, че много от тези реакции са ставали спонтанно в първичния бульон на Земята, благодарение само на металните йони, а не на ензимите, които контролират метаболитните процеси днес. Ако обърнете внимание върху метаболизма на различните организми, ще видите, че веригата реакции изглежда почти еднакво. Трябва метаболизмът (обменът на веществата) да е започвал в много ранен етап на еволюцията, но никой не знае точно кога и как се е случило това".

Екипът от изследователи е идентифицирал последователности от реакции, които в съвременните организми правят възможно образуването на молекулите, необходими за синтеза на метаболитите, такива като например аминокиселините, нуклеиновите киселини и липидите. Тези органични молекули са от съществено значение за метаболизма на клетъчните процеси, общи за всички живи организми.

Откриването на един от метаболитите, рибозата с 5-фосфатна група, заслужава специално внимание, тъй като е образуваща за РНК. А способността на молекулата РНК едновремено да служи за носител на информация и като катализатор на химически реакции е предпоставка за хипотезата за РНК-света.

Преди близо 4 милиарда години животът на Земята е започнал в богатите на желязо водни басейни, каквито са били по-голямата част на света. Океаните са безкислородни, във свят, предшестващ процеса на фотосинтезата. В същото време процесите на окисляване-възстановяване на желязото са били коренно различно от това, което можем да видим днес. Освен това желязото е било по-разтворимо, следователно, можело е да служи и като потенциален катализатор.

В архайските океани, желязото и другите метали и фосфати са улеснили поредицата от реакции, които са били нещо като ядро на клетъчния метаболизъм и са протичали при отсъствието на ензими.

Първата изкуствена РНК

За това, че молекулите на рибонуклеинова киселина (РНК) са най-подходящите градивни блокове за създаване на органичен живот може да прочете в РНК-свят. Тази теория е от преди около четиридесет години, но дълго време остана недоказана. Нейната валидност може да се потвърди само в случай на успешен изкуствен синтез на РНК.

Абиогенният синтез на РНК от по-прости съединения не е демонстриран експериментално в пълна степен досега. През 1975 г Манфред Сампер ( Manfred Sumper) и Рудигер Люс (Rudiger Luce) в лаборатории "Ейген" демонстрират, че в смес, в която няма никаква РНК, а съдържаща само нуклеотиди и Qβ-репликаза, може при определени условия спонтанно да възникне саморепликираща се РНК.

Проблемът със синтеза на РНК е, че досега химицит не са успявали да подберат възможни реалистични условия, при които от азотисти бази, рибоза и фосфорна киселини да се самосинтезират нуклеотиди, от които след това да може да се образува РНК молекула.

Азотисти бази и рибоза могат да се образуват спонтанно от най-прости съставки при условия, които биха могли да съществуват на ранната Земя и дори в космоса, в протопланетния облак, но да се присъединят заедно, за да образуват рибонуклеотиди, е много трудно.

По-точно, пуриновите нуклеотиди аденозин А, гуанозин G) са синтезирани, но с ниска ефективност, а пиримидиновите (уридин U, цитидин C) не се синтезират изобщо. Също така е много трудно да се получи рибоза и "правилни" азотисти бази в достатъчно чиста форма. Обикновено се образува една чудовищна смесица от всички видове захари или азотни съединения, в които "необходимото" вещество е само малък процент.

През 2009 г. група учени от университета в Манчестър, водена от Джон Съдърланд ( John Sutherland) намерили заобиколен път как да синтезират рибонуклеотиди - не от готови големи блокове от рибоза и азотисти бази, а от по-прости органични молекули. Те доказали, че са в състояние да докажат възможността за синтез на уридин и цитидин с висока степен на ефективност и възможност за натрупване на крайните продукти в условията на ранната история на Земята.

Илюстрация: dailygalaxy.com

Заедно с "правилния" нуклеотид C в последната реакция, се получават и редица други "неправилни"нуклеозиди и нуклеотиди, които не позволяват допълнителния синтез на "правилните" РНК молекули. Решението на този проблем е като чудо - оказа се, че ултравиолетовата радиация, която, естествено не липсвала на древната Земята, постепенно унищожила ,всички излишни нуклеотиди като остава само цитидина, а част от него се превръща в уридин - другият необходим нуклеотид. За разлика от всички други пиримидинови нуклеотиди, U и C са устойчиви на UV светлина., ясен и прост отговор на въпроса защо, от всички възможни пиримидинови нуклеотиди в РНК са влезли U и C.

С намерения фундаментално нов подход към абиотичен синтез на нуклеотиди се решава един от най-трудните проблеми в теорията за произхода на живота и се отворя широко поле за по-нататъшни изследвания. В синопсиса, придружаващ статията в списание Nature има неприкрит възторг, откритието е окачествено като "едно от най-великите постижения на пребиотичната химия".

А може би направо от ДНК

През 2009 г. изследователите най-накрая успяха да генерират РНК. на базата на химичнни вещаства, които те смятат, че са съществували в ранната история на Земята., от Университета Колидж в Лондон и колегите му синтезирали две от четирите нуклеотиди, които правят РНК. Тяхното постижение е мощна подкрепа за идеята, че животът се е зародил в "РНК свят".

Илюстрация: scientificwizard.in

В последната си работа (2012г) един от героите на синтеза на U и C, Матю Паунър (Matthew Powner) се опитва да направи ДНК нуклеотиди чрез подобни методи на тези, които е използвал за създаването на РНК нуклеотидите през 2009 година. И според ученият успехът не е далеч.

Както е известно нуклеотидите се състоят от няколко съставки, между които могат да бъдат споменати захари, фосфати и азото-съдържащи бази.

Паунър започнал със смесването на вещества, които се очаква да присъстват по време на ранната история на Земята. Като резултат, той е успял да създаде същата захар, която е и в ДНК. Остава Паунър да направи от молекулата, съдържаща тази захар, основа на ДНК, добавяйки фосфат. Освен това, молекулата съдържа един нежелан атом, който все още не може да отстрани. Както и да е, до създаването на ДНК нуклеотиди може би ни делят само няколко години. Според Кристофър Суитцер (Christopher Switzer) от UCLA (Калифорнийски университет), създаването на нуклеотиди може да се разглежда като свършен факт.

РНК или ДНК? А може би хибрид?

Резултатите от тези проучвания могат преобърнат разбирането ни за произхода на живота на Земята. Пребиотичните химици дълго време игнорират ДНК, аргументирайки се, че такава сложна молекула не може да възникне спонтанно. Възгледът, че животът се основава на РНК и евентуално по-късно се образува ДНК е едва ли не общоприет. Повечето изследователи предполачат, че РНК организмите са създали първите ДНК.

Илюстрация: infoniac.ru

Обаче, ако това беше така, как се е случил на този преход? Съвременните организми са способни да превръщат нуклеотидите на ДНК в нуклеотиди на РНК, но за това използват особени ензими, които са твърде енергоемки. Суитцер казва, че тогава би трябвало организмите предварително да "знаят", че молекулата на ДНК е по-полезна, за да решат да харчат повече енергия на нейното създаване. Според ученият, много по-вероятно е ДНК нуклеотидите вече да са присъствали в околната среда, от където организмите са могли просто да ги вземат и да ги използват и по-късно да се научат сами да произвеждат собствени ДНК.

Първите организми вероятно са се опитвали да вземат необходимия си материал буквално от всичко.

Паунър подсказва друга алтернатива. Животът може да е започнал едновременно и с "РНК и ДНК свят", свят, в който са смесени и двата вида нуклеотиди.  Паунър в съавторство с  Джак Состак (Jack Szostak) от Харвардското медицинско училище (Harvard Medical School), счита, че т.н. хибридни молекули, състоящи се от набори ДНК и РНК нуклеотиди са можели да изпълняват някои от функциите на чиста РНК Зараждащият се живот е използвал от начало "хибридни" молекули, постепенно разделяйки ги на РНК и ДНК молекули.

Стивън Бенър казва, че има повече смисъл първичните организми са използвали чиста ДНК и РНК, възможно най-рано. И двете работят по-добре от хибридните молекули.

Структура на ДНК

За съжаление, в този момент, никой не може точно да отговори на въпроса как и на какъв етап Животът е започвал да използва ДНК.

Илюстрация: uic.edu

Структура на РНК

Илюстрация: uic.edu

Още по темата

22/01/2015

Животът

Хроника на синтетичната биология

12/11/2014

Земята

Как се е образувала Земята и нейният спътник - Луната

31/12/2014

Животът

Kакво е Живот. Теории за произхода на живота

17/11/2014

Космос

Произходът на Слънчевата система