Люди все еще многого не понимают о происхождении жизни на Земле. Само определение жизни является предметом споров среди ученых, но большинство исследователей сходятся во мнении относительно основных компонентов живой клетки. Вода, энергия и еще несколько важных элементов являются необходимыми для возникновения клеток. Однако точные сведения того, как это происходит, остаются загадкой. В ходе недавних исследований ученые пытались воссоздать в лаборатории химические реакции, которые формировали жизнь в том виде, в каком ее знают, в условиях, характерных для ранней Земли (около 4 млрд лет назад). Сложность экспериментов возросла благодаря техническому прогрессу и лучшему пониманию того, какие условия были раньше. Однако вместо того, чтобы объединить ученых и разрешить споры, рост экспериментальной работы привел к появлению множества противоречивых теорий. Некоторые считают, что жизнь возникла в глубоководных гидротермальных источниках, где условия обеспечивали необходимую энергию. Другие утверждают, что горячие источники на суше были бы более подходящим местом, поскольку они с большей вероятностью содержат органические молекулы, оставшиеся от метеоритов. Эти версии изучают. Но есть еще пять поразительных открытий за последние пять лет. Реакции в ранних клетках Какой источник энергии привел в действие химические реакции, зародившие жизни? Эту тайну попыталась разгадать исследовательская группа из Германии. Команда изучила возможность осуществления 402 реакций, которые приводят к созданию некоторых важнейших компонентов жизни, таких как нуклеотиды (строительные блоки ДНК и РНК). Ученые использовали некоторые из наиболее распространенных элементов, которые могли существовать на ранней Земле. Считается, что реакции, присутствующие в современных клетках, также являются основой метаболизма LUCA (последнего универсального общего предка) — одноклеточного бактериоподобного организма. Для каждой реакции исследователи рассчитали изменения в свободной энергии, которые определяют способность реакция протекать без других внешних источников энергии. Интересно, что многие из этих реакций не зависели от внешних воздействий, например, аденозинтрифосфат — универсальный источник энергии в живых клетках. Синтез фундаментальных строительных блоков жизни не нуждался во внешней энергетической поддержке, он делал это самостоятельно. Вулканическое стекло Жизнь зависит от молекул, хранящих и передающих информацию. Ученые считают, что нити РНК (рибонуклеиновой кислоты) являлись предшественниками ДНК в выполнении этой роли, поскольку их структура более проста. Появление РНК на планете долгое время ставило исследователей в тупик. Однако недавно был достигнут определенный прогресс. В 2022 году группа сотрудников из США создала стабильные цепочки РНК в лаборатории. Они сделали это, пропустив нуклеотиды через вулканическое стекло. Нити, которые они создавали, были достаточно длинными, чтобы хранить и передавать информацию. Вулканическое стекло присутствовало на ранней Земле благодаря частым падениям метеоритов в сочетании с высокой вулканической активностью. Считается, что нуклеотиды, использованные в исследовании, также присутствовали в то время на планете. Вулканические породы могли способствовать химическим реакциям, которые объединяли нуклеотиды в цепочки РНК. Гидротермальные источники Связывание углерода (процесс, в ходе которого углекислый газ приобретает электроны) необходимо для построения молекул, которые составляют основу жизни. Для запуска этой реакции нужен донор электронов. На ранней Земле донором электронов мог быть водород. В 2020 году группа исследователей показала, что эта реакция может происходить спонтанно и подпитываться условиями окружающей среды, как в глубоководных щелочных гидротермальных источниках в раннем океане. Ученые воссоздали условия с помощью микрофлюидной технологии. Специальные устройства манипулировали крошечными объемами жидкостей, имитируя щелочные выбросы. Это было поразительно похоже на то, как работают многие современные бактериальные и архейные клетки (одноклеточные организмы без ядра). Цикл Кребса В современных клетках за фиксацией углерода следует каскад химических реакций, которые собирают или расщепляют молекулы в сложные метаболические сети, управляемые ферментами. Но ученые все еще спорят о том, как протекали метаболические реакции до появления и эволюции этих ферментов. В 2019 году команда из Страсбургского университета во Франции совершила прорыв. Она показала, что двухвалентное железо, которое было в изобилии в ранней земной коре и океане, могло управлять девятью из одиннадцати этапов цикла Кребса — биологического пути, присутствующего во многих живых клетках. В этом случае двухвалентное железо выступало в качестве донора электронов для фиксации углерода, что запускало каскад реакций. В результате исследователи получили все пять универсальных метаболических предшественников — пять молекул, которые являются фундаментальными для различных метаболических путей во всех живых организмах. Строительные блоки древних клеточных мембран Изучение формирования строительных блоков жизни и их сложных реакций — большой шаг вперед в понимании возникновения жизни. Независимо от того, развивались ли реакции в горячих источниках на суше или в морских глубинах, они не продвинулись бы далеко без клеточной мембраны (играют активную роль в биохимии примитивной клетки и ее связи с окружающей средой). Современные клеточные мембраны в основном состоят из фосфолипидов, имеющих гидрофильную головку, направленную наружу, и два гидрофобных хвоста, направленных внутрь. Согласно исследованиям, некоторые компоненты фосфолипидов, такие как жирные кислоты, из которых состоят хвосты, могут самостоятельно собираться в двухслойные мембраны в различных условиях окружающей среды. Но присутствовали ли эти жирные кислоты на ранней Земле? Исследователи из университета Ньюкасла воссоздали спонтанное образование этих молекул, объединив жидкости, богатые водородом (которые, вероятно, присутствовали в древних щелочных гидротермальных источниках), с водой, содержащей углекислый газ (что напоминало среду древнего океана). Результат работы согласуется с гипотезой о том, что стабильные мембраны из жирных кислот могли возникнуть в щелочных гидротермальных источниках и потенциально развиться в живые клетки. Авторы исследования предположили, что аналогичные химические реакции способны протекать в подповерхностных океанах ледяных лун, которые, вероятно, имеют гидротермальные источники, аналогичные земным. Каждое из этих открытий добавляет новый элемент к пазлу происхождения жизни. Независимо от того, какие из них окажутся верными, разные теории стимулируют поиск ответов. По материалам статьи «Unravelling life’s origin: five key breakthroughs from the past five years» The Conversation