Резкий солнечный свет на молодой Земле мог повлиять на генетический код жизни

Фото из открытых источников

Химики проверили, действительно ли яркий солнечный свет на ранней Земле способствовал образованию химических «букв» ДНК и РНК. Некоторые из «букв» самой жизни разрушались быстрее всего. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Жизнь строит свой генетический код всего из нескольких химических букв. Одна из теорий предполагает, что интенсивный солнечный свет на молодой Земле помог определить, какие из них выжили. Когда химики провели прямую проверку этой идеи, оказалось, что буквы в буквах не всегда были прочнее, чем альтернативные варианты.

Некоторые из природных молекул распадались под воздействием ультрафиолетового света быстрее, чем почти все остальные вещества, которые они пытались синтезировать, а молекула, которую жизнь так и не смогла освоить, оказалась одной из самых прочных. Таким образом, выживание под воздействием солнечного света, вероятно, было не единственным фактором, определявшим, какие молекулы в конечном итоге будут нести гены.

Данная работа выполнена в лаборатории Зои Тодд в Университете Висконсина в Мэдисоне. Маркос Хусино-Мальдонадо, соавтор исследования, разработал план работы совместно с ней. Все результаты были получены на основе анализа молекул, растворенных в воде под лампами в лаборатории, а не в условиях реальной планеты.

Каждая буква генетического кода представляет собой небольшую кольцеобразную молекулу, называемую основанием. В ДНК их четыре: аденин, гуанин, цитозин и тимин. В РНК вместо тимина используется урацил. Присоединение сахара к основанию превращает его в нуклеозид, который находится всего в одном шаге от строительных блоков, из которых состоят цепочки ДНК и РНК.

Множество подобных колец могло существовать с момента зарождения жизни. Некоторые из них образуются в лабораторных условиях при воссоздании химического состава ранней Земли, а несколько были обнаружены в метеоритах рядом с очагами жизни. Эти хорошо известные основания были обнаружены даже в образцах астероида Рюгу.

В те времена солнечный свет был более интенсивным. До того, как в воздухе накопился кислород во время Великого окислительного события, не существовало озонового слоя, блокирующего ультрафиолетовое излучение. Молодое Солнце было лишь примерно на 70% ярче современного, но, вероятно, излучало примерно такое же количество ультрафиолетового света.

Более ранние эксперименты показали, что живые организмы очень быстро, за триллионные доли секунды, избавляются от поглощенной ультрафиолетовой энергии, быстрее, чем многие их двойники. Это натолкнуло на предположение: возможно, молодое Солнце истощило более медленные молекулы и оставило после себя следы жизни. Но никто систематически не проверял это под постоянным ультрафиолетовым излучением.

Команда создала модель из 24 молекул воды. Девять из них принадлежали к алфавиту жизни: четыре основания и пять нуклеозидов. Сам гуанин был исключен, потому что он недостаточно хорошо растворялся. Остальные 15 были похожими на него, но живые организмы не используют их в генах.

Каждый раствор помещали в реактор, оснащенный ртутными лампами, излучающими ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нанометра. В первую очередь из воды была удалена большая часть кислорода. Время от времени исследователи брали образец и измеряли, сколько молекулы осталось, исходя из того, насколько сильно она поглощала свет.

Каждая молекула была протестирована как минимум три раза. Еще две, слегка модифицированные версии цитозина и цитидина, дали показания, которые постоянно менялись и не поддавались измерению.

Молекулы распадались с очень разной скоростью. Самая быстро распадающаяся молекула распадалась примерно в 650 раз быстрее самой медленной. Если бы ультрафиолетовый свет выбрал алфавит жизни, его представители должны были бы сгруппироваться на самом сложном конце. Но этого не произошло. Они появились почти в каждой точке шкалы.

Аденозин, нуклеозидная форма аденина, оказался наиболее стабильной из протестированных молекул. На втором месте оказался меламин, кольцо, которое живые организмы так и не смогли закрепить в своих генах. 

С другой стороны, уридин расщеплялся быстрее всех. Цитидин был третьим с конца.

Эти два соединения являются нуклеозидами урацила и цитозина, и их простые основания сохранились лучше. Цитозин продержался примерно в шесть раз дольше, чем цитидин, а урацил — примерно в восемь раз дольше, чем уридин.

Вероятная причина — реакция, в которой ультрафиолетовый свет заставляет молекулу воды присоединиться к кольцу. Часть этого ущерба можно исправить, нагревая в темноте, поэтому высокие темпы могут завышать оценку того, как быстро эти два объекта исчезли бы на реальной планете.

Исследователи обнаружили одну закономерность. Аденозин и гуанозин, два нуклеозида с двойным кольцом, просуществовали дольше всех нуклеозидов, похожих на них по форме, в ходе эксперимента. Аденозин сохранял свои свойства примерно в 12 раз дольше, чем инозин, его близкий родственник.

Пиримидины, семейство однокольцевых молекул, включающее цитозин, тимин и урацил, в целом показали худшие результаты. Десять из 12 пиримидинов оказались в числе 12 наименее стабильных молекул. Наиболее резкий контраст наблюдался внутри самого алфавита жизни. Урацил расщеплялся примерно в семь раз быстрее, чем тимин.

В качестве нуклеозидов уридин реагировал примерно в 67 раз быстрее, чем тимидин. Это важно, потому что в РНК используется урацил, а в ДНК — тимин, и многие ученые считают, что РНК появилась первой. Если ультрафиолетовый свет и оказал какое-либо влияние, пишут авторы, то, возможно, он способствовал образованию тимина во время перехода от РНК к ДНК.

Самым большим ограничением является лампа. Молодое Солнце излучает широкий спектр ультрафиолетовых волн, примерно от 200 до 300 нанометров, без единой четкой линии на длине волны 254 нанометра. Молекулы, поглощающие свет преимущественно вне этой линии, могут вести себя по-разному в реальном солнечном свете.

Команда также оценила, как каждая молекула могла бы себя вести под воздействием солнечного света ранней Земли. Два похожих вещества, поглощающие более длинные волны, зебуларин и 2-пиримидинон, оказались менее стабильными.

Авторы написали, что эти оценки основаны на предположениях и к ним следует относиться с осторожностью. В ходе анализа также не учитывались факторы, которые могли бы экранировать молекулы за пределами лаборатории, такие как глубинные воды, другие растворенные химические вещества и мельчайшие поры в горных породах.

В некоторых сценариях происхождения жизни солнечный свет вообще не присутствует. Так кто же выбрал буквы, обозначающие жизнь? Авторы перечисляют других кандидатов. 

Один из критериев — насколько хорошо молекула функционирует при копировании РНК, а другой — какое её количество могло произвести ранняя Земля. Случайность также входит в их список.  

Команда планирует повторить эксперименты, используя более широкий диапазон длин волн ультрафиолетового излучения. Пока что точная причина, по которой жизнь остановилась на этих пяти генетических буквах, остается загадкой.