Странная химическая петля могла способствовать зарождению жизни

Фото из открытых источников

Космические камни, такие как Бенну, содержат ключевые генетические компоненты, например, сахар, который они доставили взрывным путем, обеспечив раннюю Землю еще одним источником пригодных для жизни материалов. 

Рибоза — один из таких биологически важных сахаров, часть которого, возможно, попала в Землю из космоса ещё до того, как земные процессы смогли начать её синтезировать.

В РНК (рибонуклеиновой кислоте) буква R физически составляет основу ДНК, тогда как модифицированная версия, дезоксирибонуклеиновая кислота, придает ДНК скелетную структуру. 

ДНК более известна, но если она надежно хранится в ядрах наших клеток, то одноцепочечная, похожая на мозолистую ладонь, РНК перемещается к местам выполнения задач в организме, чтобы обмениваться геномными данными, создавать белки и регулировать активность генов.

Но есть проблема: рибоза очень хрупкая. Как и обычный сахар, под воздействием тепла и других факторов она превращается в карамель – не в вкусную карамель, а в смолоподобную «коричневую массу». 

Это не идеально, хотя мы, люди, сами состоим (и создаём) множество липких веществ. 

Однако, возможно, эта проблема больше не актуальна: биологи сообщили о потенциальном прорыве в геохимической загадке, призванной объяснить, как химия превратилась в биологию, а жизнь возникла из грязи. 

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Scientific Reports, астробиологи и химики из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии обнаружили, что древний рибозу, возможно, предотвращало карамелизация с помощью незаметного элементарного агента, доступность которого обеспечивала сама рибоза.

Этим элементом был металлоид бор, который также дал представление о давно испарившейся воде на Марсе. 

При взаимодействии рибозы и соединений бора образуются комплексы.

Однако доступность бора также нестабильна. Он может быть извлечен из воды и заключен в горных породах, становясь, таким образом, непригодным для развивающихся форм жизни, например, под воздействием кальция.

Соответственно, за последние два десятилетия было проведено множество исследований, посвященных различным сценариям взаимодействия рибозы с бором.

Однако, как отмечают исследователи, исходя из используемых ими методов, некоторые из этих «экспериментов могут не отражать реалистичную обстановку ранней Земли» . 

Таким образом, помимо стандартной лабораторной буры, они использовали распространенные в «реальном мире» борсодержащие минералы: кернит, колеманит и улексит, которые также содержат натрий, кальций или и то, и другое, чтобы проверить, как бор растворяется в воде в зависимости от того, из какого минерала он состоит. 

Они провели эксперименты как без добавления рибозы, так и с её добавлением, причём первый вариант служил контролем. 

И вот, добавление рибозы кардинально изменило взаимодействие между бором и кальцием.

В то время как кальций связывал бы бор в труднорастворимых породах, превращение этой комбинации в химический любовный треугольник путем введения рибозы обеспечивает решение проблемы растворимости. 

Рибоза помогла извлечь бор из его каменистой оболочки в воду во всех четырех минералах, которые использовали исследователи, и оказалась особенно эффективной для тех, которые содержали кальций.

Затем команда повторила эксперимент, используя в качестве химического аналога ранней Земли образец «вспученной испарительной корки», собранный в высокогорной гидротермальной системе Пуга в Ладакхе, Индия. 

Когда это вещество погружали в воду без рибозы, выделялось определенное количество бора. После добавления рибозы количество бора, выделившегося в воду, увеличилось примерно на 60 процентов. 

Затем исследователи изучили, может ли деградированная рибоза улучшить растворимость бора.

После того как они «карамелизовали» рибозу с помощью тепла и щелочи, или химическим путем, они обнаружили лишь незначительное увеличение абсолютного количества растворенного бора в растворе. 

Хотя концентрация растворенного бора в колеманите увеличилась на 50 процентов при добавлении карамелизованной рибозы, это было гораздо меньшее увеличение, чем то, которое дал свежий рибоза тому же минералу (примерно в 3,5 раза больше бора), что говорит о том, что свежая рибоза является наилучшим вариантом. 

Наконец, исследователи аналогичным образом протестировали сахарозу и глюкозу, обнаружив, что они могут улучшить растворимость бора, но не так сильно, как рибоза. Вероятно, это связано с тем, что молекулярная геометрия рибозы особенно хорошо подходит для образования стабильных комплексов с бором.

Таким образом, исследователи предлагают следующий цикл.

Рибоза притягивает и защищает бор, который затем защищает рибозу. Таким образом, большее количество рибозы может привести к большему количеству растворенного бора, что, в свою очередь, может помочь выжить большему количеству рибозы, создавая предпосылки для гипотезы мира РНК и, в конечном итоге, для нас. 

Но подождите секунду. Исследование также выявляет интригующий нюанс: соединения бора — это палка о двух концах. Они могут стабилизировать уже существующую рибозу, но в избытке фактически препятствуют образованию рибозы в первую очередь. 

В этом контексте кальций внезапно превращается из злодея в героя: возможно, он поддерживал низкий уровень бора, чтобы могла образоваться рибоза, а затем, вероятно, в дело вступил вышеупомянутый цикл. 

Наконец, изменение уровня pH, которое может быть характерно для систем горячих источников, могло способствовать высвобождению рибозы из бора, позволяя ей вступать в другие реакции, например, как это происходит и у нас. 

Таким образом, эта работа демонстрирует ценность использования образцов природных минералов, а не чистых синтетических материалов, даже несмотря на то, что последние помогают поддерживать контроль и упрощают экспериментальную работу. 

В результате мы возвращаемся (или почти возвращаемся) к цитате Карла Сагана о том, что все мы — звёздная пыль, а точнее, космический сахар. 

Конечно, наша восприимчивость к успокаивающей сладости сахара приводит ко многим последствиям для здоровья. Но, возможно, именно она стала той физической опорой, которая помогла нам существовать и пытаться наслаждаться жизнью в умеренных количествах.