Шаг к разгадке главной тайны жизни на Земле

от

Главная загадка биологии: как зародилась жизнь?

Группа учёных из Гарварда приблизила нас к ответу, создав искусственные химические системы, подобные клеткам, которые имитируют метаболизм, размножение и эволюцию — основные признаки жизни. Результаты были [опубликованы](https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2412514122) в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Хуан Перес-Меркадер, старший научный сотрудник факультета наук о Земле и планетах и Инициативы по изучению происхождения жизни, старший автор исследования, сказал: «Насколько мне известно, это первый случай, когда кто-либо сделал нечто подобное — создал структуру, обладающую свойствами жизни, из чего-то, что полностью однородно на химическом уровне и лишено какого-либо сходства с естественной жизнью».

Димитар Сасселов, директор Инициативы по изучению происхождения жизни и профессор астрономии, отметил, что работа знаменует собой важный прорыв, демонстрируя, как можно создать простую самовоспроизводящуюся систему из небиологических молекул.

«Это позволяет нам лучше понять происхождение и раннюю эволюцию живых клеток», — сказал Сасселов, который не участвовал в новом исследовании.

Первые свидетельства жизни

Самые ранние известные свидетельства жизни — крошечные окаменелости древних микробов возрастом около 3,8 миллиарда лет. Но их обнаружение едва ли раскрыло тайну того, как и когда зародилась жизнь. Какие простые биологические молекулы дали начало сложным клеткам? Было ли одно происхождение или несколько событий? Зародилась ли жизнь на Земле или на другой планете?

Эти вопросы озадачивали биологов на протяжении веков. Чарльз Дарвин предположил, что жизнь зародилась в «тёплом маленьком пруду», а затем преобразовалась в разнообразные формы.

В 1950-х годах Стэнли Миллер и лауреат Нобелевской премии Гарольд Юри провели эксперименты в Чикагском университете, в которых они смоделировали условия первобытной Земли — атмосферу из метана, аммиака, водорода и воды с электрическими разрядами молний — и получили аминокислоты, органические молекулы, которые образуют строительные блоки белков.

Вклад Переса-Меркадера

В 1990-х годах Перес-Меркадер переключился на астробиологию и основал Centro de Astrobiología в Мадриде в сотрудничестве с NASA, а также курировал участие Испании в Mars Science Laboratory NASA. В 2010 году он пришёл в Гарвард с новой грандиозной задачей.

«Я пытаюсь понять, почему жизнь существует здесь», — сказал он.

Все формы жизни обладают несколькими основными признаками: они обрабатывают химическую информацию, метаболизируют некоторую форму энергии (например, потребляя пищу или осуществляя фотосинтез) для поддержания себя и построения частей тела, размножаются и эволюционируют в ответ на окружающую среду.

Перес-Меркадер разработал математические уравнения для основных физических и химических процессов биологии и использовал их решения в качестве руководства для синтеза искусственной жизни в пробирке.

Лабораторный прорыв

В 2010-х годах учёным удалось добиться прорыва в лаборатории благодаря появлению полимеризации, индуцированной самосборкой, — процесса, в котором неупорядоченные наночастицы спроектированы так, чтобы спонтанно возникать, самоорганизовываться и собираться в структурированные объекты в масштабах миллионных или миллиардных долей метра.

Наконец, эти инструменты позволили Пересу-Меркадеру и его коллегам воплотить свои теории в жизнь — в буквальном смысле.

В новом исследовании команда стремилась продемонстрировать, как жизнь может «запуститься» из материалов, подобных тем, которые доступны в межзвёздной среде — облаках газов и твёрдых частиц, оставшихся после эволюции звёзд в галактике, — плюс световой энергии от звёзд. В качестве лабораторной версии «тёплого маленького пруда» Дарвина использовалась пробирка.

Команда смешала четыре небиологических (но на основе углерода) молекулы с водой внутри стеклянных колб, окружённых зелёными светодиодными лампочками, похожими на праздничные огни. Когда лампочки загорались, смесь реагировала и образовывала амфифилы, или молекулы с гидрофобными (водоотталкивающими) и гидрофильными (водорастворимыми) частями.

Молекулы самоорганизовывались в шарообразные структуры, называемые мицеллами. Эти структуры захватывали жидкость внутри, где она развивала другой химический состав и превращалась в «везикулы», или заполненные жидкостью мешочки, подобные клеткам.

В конце концов, везикулы выбрасывали больше амфифилов, как споры, или просто лопались — и свободные компоненты формировали новые поколения более клеточных структур. Но увеличивающееся число выброшенных спор слегка отличалось друг от друга, причём некоторые оказывались более склонными к выживанию и размножению, моделируя то, что исследователи назвали «механизмом свободной наследуемой изменчивости», основой дарвиновской эволюции.

Стивен П. Флетчер, профессор химии в Оксфордском университете, который не участвовал в новом исследовании, но занимается аналогичными исследованиями, сказал, что исследование PNAS открывает новый путь для разработки синтетических самовоспроизводящихся систем — достижение, которого прошлые эксперименты достигли только с помощью более сложных методов.

«Статья демонстрирует, что похожее на жизнь поведение можно наблюдать у простых химических веществ, которые не имеют отношения к биологии, более или менее спонтанно, при наличии световой энергии», — сказал он.

Перес-Меркадер характеризует эксперимент более живо. Он считает, что эксперимент предоставляет модель того, как жизнь могла зародиться около 4 миллиардов лет назад. По его подсчётам, такая система могла эволюционировать химически и дать начало последнему универсальному общему предку — первоначальной форме, породившей всю последующую жизнь.

«То, что мы видим в этом сценарии, — это то, что вы можете легко начать с молекул, которые ничем не примечательны — не похожи на сложные биохимические молекулы, связанные сегодня с живыми естественными системами», — сказал он. «Эта простая система — лучшая для начала этого бизнеса жизни».

Harvard University

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте

Оставьте комментарий