Геологическое открытие может раскрыть тайну появления жизни

Происхождение жизни на Земле остается одной из величайших научных загадок. Как первые молекулы сформировались и организовались, чтобы дать начало живым клеткам? Одна из широко распространенных теорий основана на решающей роли, которую играют в этом процессе нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК. Эти молекулы способны хранить генетическую информацию и реплицироваться, обеспечивая эволюцию и биологическую сложность, которую мы наблюдаем сегодня. Но как эти нуклеиновые кислоты смогли реплицироваться во враждебных условиях первобытной Земли? В исследовании предлагается новый геологический сценарий, который может дать несколько увлекательных ответов на этот вопрос.

Нуклеиновые кислоты: строительные блоки жизни

Нуклеиновые кислоты, в основном ДНК и РНК, играют важнейшую роль во всех живых организмах. Их часто сравнивают со строительными планами или рецептами, содержащими инструкции, необходимые для создания белков — основных строительных блоков клеток. Для возникновения и развития жизни эти молекулы должны быть способны копировать сами себя — этот процесс называется репликацией. Это позволяет организмам расти, размножаться и адаптироваться к окружающей среде.

В деталях, репликация этих молекул позволяет адаптироваться к окружающей среде, способствуя появлению мутаций и генетических вариаций. Когда молекула копирует себя, в процессе репликации могут возникать ошибки или вариации, известные как мутации. Эти мутации вносят разнообразие в организмы.

Некоторые из этих вариаций могут давать преимущество в данной среде, например, повышенную устойчивость к определенным условиям (жара, холод, нехватка ресурсов и т. д.). Если эти мутации дают преимущество, у организмов, которые их носят, будет больше шансов выжить и размножиться, передавая эти выгодные модификации своим потомкам. Этот процесс, известный как естественный отбор, лежит в основе эволюции и приспособления видов к окружающей среде.

Проблемы репликации на примитивной Земле

На первобытной Земле, где условия были гораздо более экстремальными, чем сегодня, репликация нуклеиновых кислот, вероятно, была одним из первых механизмов, обеспечивших возникновение жизни. Однако этот процесс не так прост. Чтобы молекула ДНК или РНК могла реплицироваться, она должна сначала разделиться на две нити. Это разделение осложняется условиями окружающей среды, такими как концентрация соли или температура, которые играют решающую роль в стабильности молекул. Возникает вопрос: как первые молекулы ДНК или РНК смогли реплицироваться естественным образом в такой нестабильной среде?

В новом исследовании ученые из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене разработали естественный сценарий, при котором такое разделение может происходить без разрушения молекул. Именно в этом и заключается новая гипотеза.

Среда, благоприятная для репликации: поры горных пород

По мнению исследователей, естественные условия в скальных порах первобытной Земли могли позволить нуклеиновым кислотам реплицироваться. Представьте себе небольшие полости в вулканической породе, где вода и газ могут взаимодействовать в замкнутой среде. На вулканических островах такие условия когда-то были обычным явлением, обеспечивая сухую и влажную среду, способствующую образованию сложных молекул.

Идея проста, но гениальна: вода испарялась через эти поры, а поток газа просачивался сквозь породу. Это создавало среду, в которой могли скапливаться молекулы нуклеиновых кислот, способствуя их концентрации и потенциальной репликации. Движение воды и газа вызывало изменения в концентрации соли, что было ключевым фактором в разделении нитей ДНК и РНК.

Лабораторный эксперимент

Чтобы проверить эту теорию, исследователи воссоздали подобную среду в лаборатории. Они построили модель поры в горной породе, где поток воды поднимался вверх, испаряясь в точке, где он встречался с потоком газа. На границе раздела газа и воды они наблюдали скопление молекул ДНК. Всего за пять минут концентрация ДНК увеличилась в три раза, а через час - в тридцать раз.

Однако такой концентрации было недостаточно. Для продолжения репликации нити ДНК должны были разделиться. Используя метод FRET-спектроскопии, измеряющий расстояние между двумя нитями ДНК, исследователи обнаружили, что динамика потока газа и воды вызывает изменения в концентрации соли, способствуя разделению нитей. Другими словами, не меняя температуры, эта природная среда воспроизводила условия, необходимые для репликации ДНК.

Шаг к пониманию происхождения жизни

Эти результаты поражают воображение, поскольку показывают, что простая геологическая среда, которая, вероятно, в изобилии существовала на первобытной Земле, могла обеспечить репликацию первых молекул нуклеиновой кислоты без необходимости в экстремальных температурах. Это открывает новые возможности для понимания того, как могла возникнуть жизнь не только на Земле, но и на других планетах, где могут быть похожие условия.