Як будівельні блоки життя надходили з космосу до Наукового блогу про Землю

Питання про походження життя на землі - одне з основних питань науки. Астрономи з Університету Макмастера та Інституту астрономії Макса Планка (MPIA) розрахували узгоджений сценарій зародження життя на землі на основі астрономічних, геологічних, хімічних та біологічних моделей [1]. Дмитро Семенов та Томас Хеннінг з MPIA описують цей сценарій, коли життя сформувалося лише через кілька сотень мільйонів років після того, як земна поверхня охолола достатньо для існування рідкої води. Важливі будівельні блоки для життя утворилися в космосі під час формування Сонячної системи і відкладалися на землі метеоритами в маленьких теплих ставках *.

Як перше життя виникло на землі близько чотирьох мільярдів років тому, - одне з найбільших питань науки. Нові результати дослідників з Університету Макмастера (Гамільтон, Канада) та Інституту астрономії імені Макса Планка свідчать про те, що метеорити, можливо, зіграли у цьому ключову роль. Ці тіла приземлились у теплих невеликих ставках на землі (рис. 1) і відкладали там органічні речовини, що дозволило виникнути життя у вигляді самовідтворювальних молекул РНК [1].

надходили

Висновки астрономів ґрунтуються на моделі, яка узагальнює сьогоднішні знання про формування планет, геології, хімії та біології - розрахунки, які покращують наші знання про геологію ранньої Землі, хімічні умови, властивості задіяних молекул та астрономічну інформацію про властивості З’єднайте метеорити та міжпланетну пил між собою. Той факт, що такий кількісний аналіз тепер можливий вперше, завдяки досягненням у багатьох областях: від мікробіології до пошуку екзопланет до спостережень за планетними розплідниками поблизу інших зірок.

Мабуть, найцікавішим результатом розрахунків є те, що життя, швидше за все, зародилося порівняно рано: лише через кілька сотень мільйонів років після того, як земля охолола достатньо, щоб пропускати рідкі поверхневі води, такі як ставки чи океани. Тоді на землю потрапляє набагато більше метеоритів, ніж сьогодні.

До цього часу ніхто насправді не робив цих розрахунків. Оскільки нова модель включає в себе стільки результатів з безлічі різних сфер, дивно, що все настільки цілісно пов’язано. Кожен крок моделі природно приводив до наступного. Той факт, що зрештою склалася чітка картина, є чітким свідченням того, що сценарій не може бути таким неправильним.

Щоб зрозуміти походження життя, ми повинні зрозуміти землю такою, якою вона була мільярди років тому. Як показує дослідження Інституту Макса Планка, астрономія дає важливу частину відповіді. Деталі формування нашої Сонячної системи мають прямі наслідки для зародження життя на землі.

Нова робота підтримує гіпотезу про те, що життя зародилося в невеликих теплих водах. (Вираз "маленький теплий ставок", до речі, сходить до одного з найдавніших припущень про походження життя: листа Чарльза Дарвіна до ботаніка Джозефа Хукера з 1871 року.) У циклах, у де неглибокі ставки спочатку висихають, а потім знову заповнюються водою, хімічні інгредієнти належним чином концентруються, що спричинює зв’язок між нуклеотидами (будівельними блоками нуклеїнових кислот, що складаються з нуклеобаз, фосфатних груп та залишків цукру; ред.), а отже, утворення довших ланцюгів РНК сприятливий. Дослідникам вдалося продемонструвати, що метеорити могли транспортувати достатню кількість нуклеобаз до тисяч таких водойм на землі і, таким чином, викликати утворення самовідтворювальних молекул РНК принаймні в одному з цих ставків. Малюнок 2.

Спираючись на відомі знання про формування планет та хімію Сонячної системи, дослідники MPIA запропонували послідовний сценарій зародження життя на землі. Вони надають правдоподібну фізичну та хімічну інформацію про умови, за яких могло виникнути життя. Тепер настала черга експериментаторів з’ясувати, як насправді могло скластись життя за цих дуже конкретних ранніх умов.

Це далеко не остаточна відповідь на фундаментальне питання про походження життя на землі, але за останні кілька десятиліть з’явилося кілька цікавих можливих відповідей. Теорія, більш докладно розроблена у 1980-х роках, постулює РНК-світ: генетична інформація вищих організмів зберігається в подвійній спіралі молекул ДНК, але є також тісно пов'язані між собою молекули, РНК (рибонуклеїнова кислота), які відіграють помітну роль у сучасних клітинах . Зокрема, вони каталізують певні хімічні реакції в клітинах і настільки ж необхідні для передачі генетичної інформації, як і для синтезу конкретних білків (декретів уряду клітин, так би мовити) на основі генетичного коду. Деякі віруси взагалі не використовують ДНК для зберігання генетичної інформації; натомість вся інформація кодується в РНК вірусу.

[1] Бен К. Д. Пірс, Ральф Е. Пудріц, Дмитро Семенов, Томас К. Хеннінг. Походження Світу РНК: Доля ядерних баз у теплих ставках. Proc. Нат. Акад. Sci, 114, 11327 (2017). Робота знаходиться у вільному доступі на https://arxiv.org/pdf/1710.00434.pdf.

Кілька тижнів тому автори Бен К. Д. Пірс (Університет Макмастера), Ральф Е. Пудріц (Університет Макмастера, Інститут астрономії Макса Планка та Центр астрономії Гейдельберзького університету) та Дмитро Семенов та Томас К. Хеннінг (обидва Макс Планк -Інститут астрономії) була нагороджена престижною премією Козареллі Національною академією наук США за цю новаторську роботу.