Про науку о небожественном происхождении жизни.
Называется эта наука - пребиотическая химия.
Ниже - три материала научно-популярного сайта Элементы ру об открытиях этой науки
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
В космосе обнаружены разнообразные органические вещества, однако о механизмах их формирования известно немного. Астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики экспериментально показали, что в условиях, имитирующих ранние стадии формирования планетных систем, в водяном льду с примесью метанола и аммиака под действием ультрафиолетового излучения образуются всевозможные углеводы, включая рибозу - важнейшую составную часть РНК.
Авторы предполагают, что химический процесс, приводящий к синтезу этих углеводов, схож с автокаталитической реакцией Бутлерова, хотя и не нуждается в присутствии двухвалентных ионов металлов.
Со времен знаменитого эксперимента Миллера - Юри, с которого фактически началась современная пребиотическая химия, ученые обнаружили целый ряд естественных обстановок, в которых может идти абиогенный синтез органики (см. ссылки в конце новости).Такой синтез возможен не только в вулканических источниках или в атмосфере планет, но и в открытом космосе, где органические вещества - совсем не редкость. Простейшие органические молекулы есть в межзвездном газе; в метеоритах определенного типа (углистых хондритах, которые считаются остатками первичного вещества протопланетного диска) найдена разнообразная и довольно сложная органика, в том числе аминокислоты и азотистые основания; доказано присутствие органики в кометах.
Это говорит о том, что молодая Земля с самого начала могла иметь в своем составе немало органических веществ (и периодически получать дополнительные порции из космоса).
Считается, что на ранних этапах формирования планетных систем синтез органики происходит под действием ультрафиолетового излучения в ледяных «мантиях», покрывающих силикатные или углеродистые частицы космической пыли. В состав этого «докометного льда» (precometary ice) входят, помимо воды, метанол (CH3OH), аммиак (NH3) и ряд других веществ.
Исследователи уже научились моделировать в лаборатории процессы, происходящие в таком льду в условиях, приближенных к реальным космическим, то есть при крайне низких температурах и давлениях. Ранее уже было показано, что под действием ультрафиолета в замороженной смеси воды, метанола и аммиака образуются разнообразные аминокислоты, а также альдегиды, в том числе простейшие сахара: гликольальдегид и глицеральдегид.
В новой статье, опубликованной в журнале Science, астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики сообщили об очередном успехе на пути к пониманию органической химии космоса. Авторы облучали ультрафиолетом в вакууме тонкий слой искусственного «докометного льда», состоящего из воды, метанола и аммиака в пропорции 10:3,5:1, охлажденного до температуры 78 K (−195°С). Полученную смесь веществ нагревали до комнатной температуры и анализировали при помощи мощнейшей современной методик.
Применение этой высокочувствительной методики позволило выявить, наряду с уже детектированными в ходе прежних экспериментов простейшими углеводами, целый ряд четырех-, пяти- и шестиуглеродных моносахаридов и родственных соединений (сахарных спиртов и кислот).
Авторы придают большое значение тому факту, что среди полученных веществ в заметном количестве присутствует рибоза - ключевой компонент сахарофосфатного скелета РНК. До недавних пор абиогенный синтез рибозы считался обязательным этапом абиогенного синтеза рибонуклеотидов - составных блоков РНК. Правда, в 2009 году был найден замечательный «обходной путь», позволяющий в правдоподобной обстановке получить рибонуклеотиды, минуя стадию свободной рибозы. Тем не менее, демонстрация возможности синтеза разнообразных сахаров в крупицах межзвездного льда имеет большое значение для пребиотической химии. Полученные результаты в целом хорошо согласуются с тем, что астрофизикам уже удалось узнать об органической химии космоса в ходе изучения межзвездного газа, метеоритов и комет.
***************************************************
Цианосульфидный протометаболизм - верный путь к земной жизни
Миру РНК предшествовало время предбиологического синтеза, когда рождались так или иначе необходимые для репликации молекулы - нуклеотиды, белки, липиды. Прежде химики рассматривали процессы их синтеза по отдельности. Теперь в лаборатории Джона Сазерленда найден путь, который приводит к синтезу сразу большого набора биологических молекул.
Нет нужды гадать, что было раньше, РНК или белки, - вероятно, они синтезировались одновременно в едином каскаде химических реакций; в начале его появляется цианистый водород и сероводород с металлическими катализаторами. Эту сеть реакций авторы назвали цианосульфидным протометаболизмом. С выходом в свет нового исследования можно говорить о поворотной точке в науке о происхождении жизни.
Джон Сазерленд (John Sutherland) с командой из Лаборатории молекулярной биологии Исследовательского совета по медицине при Кембриджском университете (Великобритания) продолжили свое захватывающее исследование первых этапов зарождения жизни - появления на нашей планете биологических молекул. Около пяти лет назад они описали простой путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов, тех самых, которые никак не удавалось получить из простых веществ. Для этого требовалось подогревать азотистые основания (цианамид) вместе с сахаром (гликольальдегидом) и цианоацетиленом в присутствии фосфорной кислоты и под ультрафиолетовым облучением. В результате чудесным, хотя и вполне понятным для химиков образом получаются пиримидиновые рибонуклеотиды - цитидин и уридин. И при этом с высоким конечным выходом продукта, в практически очищенном от примесей виде, так как другие побочные продукты реакций неустойчивы к ультрафиолетовому облучению.
Все, кто занимается и интересуется ранней эволюцией жизни, пришли в восторг. Среди эмоциональных одобрений звучали вполне здравые вопросы: откуда бы взяться на ранней Земле гликольальдегиду в большом количестве? - все же это не совсем простое вещество. За три года команде Сазерленда этот вопрос удалось решить - и опять же изящно и доступно. Химики синтезировали гликольальдегид и глицеральдегид из цианистого водорода; реакция идет на свету в присутствии сероводорода и двухвалентной меди. Но какова же была радость ученых, когда они обнаружили в качестве побочных (!) продуктов реакций этого синтеза α-аминонитрил - предшественник аминокислот глицина, серина, аланина и треонина.
Конечно, останавливаться было нельзя: ясно, что обнаруженная сеть реакций - это золотая жила добиологического синтеза. И та же окрыленная команда стала подробнее изучать продукты реакций в смеси цианистого водорода, сероводорода, фосфатов и различных двухвалентных металлов.
Перво-наперво решено было подробнее рассмотреть трансформации глицеральдегида в фосфатном буфере - должен был теоретически получиться более стабильный трехуглеродный изомер. Действительно, его и нашли: глицеральдегид постепенно, но с хорошим выходом продукта (59%) преобразовывался в дигидроксиацетон. А тот, в свою очередь, в присутствии сероводорода на свету расщепляется на ацетон и глицерол. Получив эти вещества, химики почуяли победу - до синтеза липидов осталось совсем чуть-чуть. И вот если полученную смесь подогреть (а мы помним, что процесс идет в фосфатном буфере) с катализатором (цинком), то в колбе окажется глицерол-1-фосфат и глицерол-2-фосфат - предшественники липидов. Выход этих продуктов оказался впечатляющим: в сумме 71%. А если еще чередовать освещение и темноту, то происходят друг за другом (в качестве приятной добавки) реакции превращения ацетона в аминокислоты - валин и лейцин.
Затем выяснилось, что из цианистого водорода и ацетилена в присутствии различных соединений меди и сероводорода могут быть также синтезированы аминокислоты аргинин, пролин, аспарагин, аспартат, глутамин и глутамат. И, между прочим, необходимым продуктом превращения цианистого водорода в аминокислоты в присутствии двухвалентной меди является цианоацетилен, тот самый, который оказался востребованным для синтеза пиримидинов.
Вот это настоящий первичный бульон, или, если угодно, гипотетическая теплая лужа! Джон Сазерленд с коллегами теперь представляют себе этот древнейший жизнеродный водоем гораздо яснее, чем кто бы то ни было. Эта теплая лужа стала обрастать реалистичными химическими подробностями. Химики поместили ее во времена катархея, когда наша планета испытывала на своей шкуре все тяжести поздней метеоритной бомбардировки. Вот как это могло происходить.
При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита - железо-никелевого фосфида - при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она - теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция - всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.
Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше - аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа - это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!
Химикам еще предстоит серьезная работа, чтобы развязать все узлы этой химической сети, но главное - что пропасти между простыми органическими молекулами и молекулами жизни больше нет. Теперь есть мостик, который химики назвали цианосульфидным протометаболизмом. Вероятно, этот термин очень скоро станет модным, востребованным и очень осмысленным.
************************************************
Направленность химической эволюции зависит от способа помешивания раствора
Ключевую роль в зарождении жизни сыграло появление химических репликаторов - молекул, способных к синтезу собственных копий. Британские и нидерландские химики обнаружили простую автокаталитическую систему, в которой исход конкуренции между двумя репликаторами зависит от характера механического воздействия на реакционную смесь: если ее встряхивать, побеждает один репликатор, если помешивать - другой, а если оставить в покое, ни один из репликаторов не может успешно размножаться. Открытие показало, что не только химические, но и механические факторы могли определять направленность отбора на этапе предбиологической эволюции.
Считается, что важным этапом химической эволюции, предшествовавшей появлению жизни, было формирование разнообразных автокаталитических циклов - реакций, катализируемых своими собственными продуктами. В последние десятилетия химики активно изучают разнообразные автокаталитические процессы, основанные как на «естественных» биологических молекулах (пептидах, РНК, ДНК), так и на полностью синтетических. Одна из задач состоит в том, чтобы понять, какие факторы могут поддерживать систему в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (это одно из основных свойств жизни). Например, показано, что избирательное накопление в реакционной смеси какого-нибудь одного или нескольких «маловероятных» продуктов из большого числа возможных может происходить за счет химического связывания этих продуктов какой-нибудь молекулой, причем образующиеся комплексы уже не участвуют в дальнейших превращениях. Кроме того, продукты реакций могут избирательно стабилизироваться за счет полимеризации или «склеивания» в устойчивые комплексы. По-видимому, на этом принципе основано размножения прионов. Работа британских и голландских химиков, опубликованная в журнале Science, показала, что на избирательное накопление отдельных «маловероятных» продуктов могут влиять не только химические, но и механические факторы, такие как способ перемешивания реакционной смеси. Исследователи работали с тремя искусственно синтезированными веществами, молекулы которых способны объединяться в кольцевые структуры, состоящие из 3-7 мономеров.
У вещества 1 в качестве радикала присутствует короткий пептид, состоящий из чередующихся гидрофобных остатков лейцина и гидрофильных остатков лизина. Такие пептиды имеют обыкновение склеиваться в устойчивые структуры - бета-листы (beta-sheets). Идея состояла в том, что кольцевые молекулы, образованные из таких мономеров, возможно, будут объединяться в какие-то стабильные комплексы.
Вещества 2 и 3 использовались в качестве контрольных. Их радикалы не обладают способностью формировать бета-листы.
Авторы установили, что растворы обоих контрольных веществ быстро приходят к равновесному состоянию с резким преобладанием трех- и четырехчленных циклов (тримеров и тетрамеров), и после этого никаких изменений в системе уже не происходит.
Вещество 1 повело себя иначе. В течение первых четырех дней в растворе тоже преобладали тримеры и тетрамеры, но затем быстро начала расти доля семичленных циклов - гептамеров. За две недели гептамеры почти полностью вытеснили все остальные типы молекул, за исключением небольшого количества шестичленных циклов (гексамеров).
В описанных опытах растворы помешивали при помощи магнитной мешалки (stir bar). Как ни странно, оказалось, что именно способ помешивания определяет судьбу вещества 1. Если раствор не мешать вовсе, образуются только тримеры и тетрамеры, как и в случае с веществами 2 и 3. А если вместо помешивания применить встряхивание (для этого использовали другое стандартное устройство - орбитальный шейкер), вещество 1 превращается преимущественно в шестичленные циклы (гексамеры). Судьба веществ 2 и 3 не зависит от механических воздействий: как их ни мешай, всё равно получаются только тримеры и тетрамеры.
Полученные результаты на первый взгляд кажутся очень странными (поклонники эпопеи о Гарри Поттере наверняка вспомнили уроки зельеварения в Хогвартсе). Каким образом способ помешивания может повлиять на исход реакции? Применив к своим растворам всю мощь современных методов аналитической химии, авторы установили, что гексамеры и гептамеры существуют в растворе не поодиночке, а в виде длинных нитей - фибрилл. Каждая нить представляет собой «стопку» кольцевых молекул, приклеенных друг к другу благодаря способности пептидов образовывать бета-листы. Ширина фибриллы составляет от 4,7 до 4,9 нанометров, что соответствует диаметру гекса- и гептамеров с торчащими наружу пептидными радикалами. Длина фибрилл может достигать 1-2 микрометров.
Оба конца фибриллы служат «точками роста», к которым приклеиваются всё новые и новые кольцевые молекулы. Приклеивание идет избирательно: к гексамерам прилипают гексамеры, к гептамерам - гептамеры. Молекулы, приклеившиеся к фибрилле, выпадают из дальнейших превращений, то есть обретают стабильность. Таким образом, гептамеры и гексамеры ведут себя как настоящие репликаторы: они стимулируют образование собственных копий. При этом они конкурируют друг с другом за «пищу», то есть за моно-, три- и тетрамеры, служащие исходным субстратом для синтеза новых гекса- и гептамеров.
Причем же тут помешивание? При помощи ряда дополнительных экспериментов авторы выяснили, что разные способы механического воздействия по-разному влияют на фибриллы, состоящие из шести- и семичленных молекул. При встряхивании фибриллы, состоящие из гексамеров, рвутся чаще, чем гептамерные. Вероятно, это объясняется тем, что гептамеры склеиваются друг с другом прочнее, чем гексамеры: первые удерживаются вместе семью бета-листами, вторые - только шестью. Чем чаще рвутся фибриллы определенного типа, тем больше возникает новых точек роста и тем быстрее идет синтез и стабилизация соответствующих кольцевых молекул. Поэтому при встряхивании гексамеры размножаются быстрее и побеждают своих семичленных конкурентов в борьбе за субстрат.
При помешивании магнитной мешалкой обе разновидности фибрилл рвутся с примерно одинаковой частотой. Фибриллы измельчаются мешалкой, трущейся о дно сосуда. При таком способе фрагментации фибрилл небольшие различия в их прочности уже не имеют значения. Поэтому при изначально равном количестве гекса- и гептамеров будет образовываться равное количество новых точек роста обоих типов. В такой ситуации победителем в конкурентной борьбе становится тот из двух репликаторов, который реплицируется быстрее (то есть быстрее наращивает свои фибриллы). Гептамерные фибриллы растут быстрее гексамерных, и поэтому в таких условиях победа оказывается на стороне семичленных молекул.
Выяснилось также, что гептамеры и гексамеры не могут съесть друг друга: они питаются только моно-, три- и тетрамерами. Размножение обоих типов репликаторов в среде с ограниченным количеством «пищи» идет по сигмоидальной кривой, как и положено любым размножающимся биообъектам: сначала их численность растет с ускорением, затем рост замедляется и в конце концов останавливается. Если добавить в раствор новую порцию «пищи», рост возобновляется.
Исследованные авторами химические репликаторы могут размножаться и конкурировать друг с другом, но они не могут мутировать и подвергаться отбору (в отличие, например, от прионов, в размножении которых тоже играют важную роль бета-листы). Но авторы не ставили себе целью создать искусственную жизнь. Да и молекулы, с которыми они работали, слишком далеки от биологической реальности. Смысл работы в другом: она показала, что исход конкурентной борьбы между химическими репликаторами может зависеть не только от химических, но и от механических факторов. Это существенно расширяет круг возможностей для исследователей, ищущих подходы к пониманию предбиологической эволюции.
Ниже - три материала научно-популярного сайта Элементы ру об открытиях этой науки
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
В космосе обнаружены разнообразные органические вещества, однако о механизмах их формирования известно немного. Астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики экспериментально показали, что в условиях, имитирующих ранние стадии формирования планетных систем, в водяном льду с примесью метанола и аммиака под действием ультрафиолетового излучения образуются всевозможные углеводы, включая рибозу - важнейшую составную часть РНК.
Авторы предполагают, что химический процесс, приводящий к синтезу этих углеводов, схож с автокаталитической реакцией Бутлерова, хотя и не нуждается в присутствии двухвалентных ионов металлов.
Со времен знаменитого эксперимента Миллера - Юри, с которого фактически началась современная пребиотическая химия, ученые обнаружили целый ряд естественных обстановок, в которых может идти абиогенный синтез органики (см. ссылки в конце новости).Такой синтез возможен не только в вулканических источниках или в атмосфере планет, но и в открытом космосе, где органические вещества - совсем не редкость. Простейшие органические молекулы есть в межзвездном газе; в метеоритах определенного типа (углистых хондритах, которые считаются остатками первичного вещества протопланетного диска) найдена разнообразная и довольно сложная органика, в том числе аминокислоты и азотистые основания; доказано присутствие органики в кометах.
Это говорит о том, что молодая Земля с самого начала могла иметь в своем составе немало органических веществ (и периодически получать дополнительные порции из космоса).
Считается, что на ранних этапах формирования планетных систем синтез органики происходит под действием ультрафиолетового излучения в ледяных «мантиях», покрывающих силикатные или углеродистые частицы космической пыли. В состав этого «докометного льда» (precometary ice) входят, помимо воды, метанол (CH3OH), аммиак (NH3) и ряд других веществ.
Исследователи уже научились моделировать в лаборатории процессы, происходящие в таком льду в условиях, приближенных к реальным космическим, то есть при крайне низких температурах и давлениях. Ранее уже было показано, что под действием ультрафиолета в замороженной смеси воды, метанола и аммиака образуются разнообразные аминокислоты, а также альдегиды, в том числе простейшие сахара: гликольальдегид и глицеральдегид.
В новой статье, опубликованной в журнале Science, астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики сообщили об очередном успехе на пути к пониманию органической химии космоса. Авторы облучали ультрафиолетом в вакууме тонкий слой искусственного «докометного льда», состоящего из воды, метанола и аммиака в пропорции 10:3,5:1, охлажденного до температуры 78 K (−195°С). Полученную смесь веществ нагревали до комнатной температуры и анализировали при помощи мощнейшей современной методик.
Применение этой высокочувствительной методики позволило выявить, наряду с уже детектированными в ходе прежних экспериментов простейшими углеводами, целый ряд четырех-, пяти- и шестиуглеродных моносахаридов и родственных соединений (сахарных спиртов и кислот).
Авторы придают большое значение тому факту, что среди полученных веществ в заметном количестве присутствует рибоза - ключевой компонент сахарофосфатного скелета РНК. До недавних пор абиогенный синтез рибозы считался обязательным этапом абиогенного синтеза рибонуклеотидов - составных блоков РНК. Правда, в 2009 году был найден замечательный «обходной путь», позволяющий в правдоподобной обстановке получить рибонуклеотиды, минуя стадию свободной рибозы. Тем не менее, демонстрация возможности синтеза разнообразных сахаров в крупицах межзвездного льда имеет большое значение для пребиотической химии. Полученные результаты в целом хорошо согласуются с тем, что астрофизикам уже удалось узнать об органической химии космоса в ходе изучения межзвездного газа, метеоритов и комет.
***************************************************
Цианосульфидный протометаболизм - верный путь к земной жизни
Миру РНК предшествовало время предбиологического синтеза, когда рождались так или иначе необходимые для репликации молекулы - нуклеотиды, белки, липиды. Прежде химики рассматривали процессы их синтеза по отдельности. Теперь в лаборатории Джона Сазерленда найден путь, который приводит к синтезу сразу большого набора биологических молекул.
Нет нужды гадать, что было раньше, РНК или белки, - вероятно, они синтезировались одновременно в едином каскаде химических реакций; в начале его появляется цианистый водород и сероводород с металлическими катализаторами. Эту сеть реакций авторы назвали цианосульфидным протометаболизмом. С выходом в свет нового исследования можно говорить о поворотной точке в науке о происхождении жизни.
Джон Сазерленд (John Sutherland) с командой из Лаборатории молекулярной биологии Исследовательского совета по медицине при Кембриджском университете (Великобритания) продолжили свое захватывающее исследование первых этапов зарождения жизни - появления на нашей планете биологических молекул. Около пяти лет назад они описали простой путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов, тех самых, которые никак не удавалось получить из простых веществ. Для этого требовалось подогревать азотистые основания (цианамид) вместе с сахаром (гликольальдегидом) и цианоацетиленом в присутствии фосфорной кислоты и под ультрафиолетовым облучением. В результате чудесным, хотя и вполне понятным для химиков образом получаются пиримидиновые рибонуклеотиды - цитидин и уридин. И при этом с высоким конечным выходом продукта, в практически очищенном от примесей виде, так как другие побочные продукты реакций неустойчивы к ультрафиолетовому облучению.
Все, кто занимается и интересуется ранней эволюцией жизни, пришли в восторг. Среди эмоциональных одобрений звучали вполне здравые вопросы: откуда бы взяться на ранней Земле гликольальдегиду в большом количестве? - все же это не совсем простое вещество. За три года команде Сазерленда этот вопрос удалось решить - и опять же изящно и доступно. Химики синтезировали гликольальдегид и глицеральдегид из цианистого водорода; реакция идет на свету в присутствии сероводорода и двухвалентной меди. Но какова же была радость ученых, когда они обнаружили в качестве побочных (!) продуктов реакций этого синтеза α-аминонитрил - предшественник аминокислот глицина, серина, аланина и треонина.
Конечно, останавливаться было нельзя: ясно, что обнаруженная сеть реакций - это золотая жила добиологического синтеза. И та же окрыленная команда стала подробнее изучать продукты реакций в смеси цианистого водорода, сероводорода, фосфатов и различных двухвалентных металлов.
Перво-наперво решено было подробнее рассмотреть трансформации глицеральдегида в фосфатном буфере - должен был теоретически получиться более стабильный трехуглеродный изомер. Действительно, его и нашли: глицеральдегид постепенно, но с хорошим выходом продукта (59%) преобразовывался в дигидроксиацетон. А тот, в свою очередь, в присутствии сероводорода на свету расщепляется на ацетон и глицерол. Получив эти вещества, химики почуяли победу - до синтеза липидов осталось совсем чуть-чуть. И вот если полученную смесь подогреть (а мы помним, что процесс идет в фосфатном буфере) с катализатором (цинком), то в колбе окажется глицерол-1-фосфат и глицерол-2-фосфат - предшественники липидов. Выход этих продуктов оказался впечатляющим: в сумме 71%. А если еще чередовать освещение и темноту, то происходят друг за другом (в качестве приятной добавки) реакции превращения ацетона в аминокислоты - валин и лейцин.
Затем выяснилось, что из цианистого водорода и ацетилена в присутствии различных соединений меди и сероводорода могут быть также синтезированы аминокислоты аргинин, пролин, аспарагин, аспартат, глутамин и глутамат. И, между прочим, необходимым продуктом превращения цианистого водорода в аминокислоты в присутствии двухвалентной меди является цианоацетилен, тот самый, который оказался востребованным для синтеза пиримидинов.
Вот это настоящий первичный бульон, или, если угодно, гипотетическая теплая лужа! Джон Сазерленд с коллегами теперь представляют себе этот древнейший жизнеродный водоем гораздо яснее, чем кто бы то ни было. Эта теплая лужа стала обрастать реалистичными химическими подробностями. Химики поместили ее во времена катархея, когда наша планета испытывала на своей шкуре все тяжести поздней метеоритной бомбардировки. Вот как это могло происходить.
При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита - железо-никелевого фосфида - при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она - теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция - всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.
Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше - аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа - это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!
Химикам еще предстоит серьезная работа, чтобы развязать все узлы этой химической сети, но главное - что пропасти между простыми органическими молекулами и молекулами жизни больше нет. Теперь есть мостик, который химики назвали цианосульфидным протометаболизмом. Вероятно, этот термин очень скоро станет модным, востребованным и очень осмысленным.
************************************************
Направленность химической эволюции зависит от способа помешивания раствора
Ключевую роль в зарождении жизни сыграло появление химических репликаторов - молекул, способных к синтезу собственных копий. Британские и нидерландские химики обнаружили простую автокаталитическую систему, в которой исход конкуренции между двумя репликаторами зависит от характера механического воздействия на реакционную смесь: если ее встряхивать, побеждает один репликатор, если помешивать - другой, а если оставить в покое, ни один из репликаторов не может успешно размножаться. Открытие показало, что не только химические, но и механические факторы могли определять направленность отбора на этапе предбиологической эволюции.
Считается, что важным этапом химической эволюции, предшествовавшей появлению жизни, было формирование разнообразных автокаталитических циклов - реакций, катализируемых своими собственными продуктами. В последние десятилетия химики активно изучают разнообразные автокаталитические процессы, основанные как на «естественных» биологических молекулах (пептидах, РНК, ДНК), так и на полностью синтетических. Одна из задач состоит в том, чтобы понять, какие факторы могут поддерживать систему в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (это одно из основных свойств жизни). Например, показано, что избирательное накопление в реакционной смеси какого-нибудь одного или нескольких «маловероятных» продуктов из большого числа возможных может происходить за счет химического связывания этих продуктов какой-нибудь молекулой, причем образующиеся комплексы уже не участвуют в дальнейших превращениях. Кроме того, продукты реакций могут избирательно стабилизироваться за счет полимеризации или «склеивания» в устойчивые комплексы. По-видимому, на этом принципе основано размножения прионов. Работа британских и голландских химиков, опубликованная в журнале Science, показала, что на избирательное накопление отдельных «маловероятных» продуктов могут влиять не только химические, но и механические факторы, такие как способ перемешивания реакционной смеси. Исследователи работали с тремя искусственно синтезированными веществами, молекулы которых способны объединяться в кольцевые структуры, состоящие из 3-7 мономеров.
У вещества 1 в качестве радикала присутствует короткий пептид, состоящий из чередующихся гидрофобных остатков лейцина и гидрофильных остатков лизина. Такие пептиды имеют обыкновение склеиваться в устойчивые структуры - бета-листы (beta-sheets). Идея состояла в том, что кольцевые молекулы, образованные из таких мономеров, возможно, будут объединяться в какие-то стабильные комплексы.
Вещества 2 и 3 использовались в качестве контрольных. Их радикалы не обладают способностью формировать бета-листы.
Авторы установили, что растворы обоих контрольных веществ быстро приходят к равновесному состоянию с резким преобладанием трех- и четырехчленных циклов (тримеров и тетрамеров), и после этого никаких изменений в системе уже не происходит.
Вещество 1 повело себя иначе. В течение первых четырех дней в растворе тоже преобладали тримеры и тетрамеры, но затем быстро начала расти доля семичленных циклов - гептамеров. За две недели гептамеры почти полностью вытеснили все остальные типы молекул, за исключением небольшого количества шестичленных циклов (гексамеров).
В описанных опытах растворы помешивали при помощи магнитной мешалки (stir bar). Как ни странно, оказалось, что именно способ помешивания определяет судьбу вещества 1. Если раствор не мешать вовсе, образуются только тримеры и тетрамеры, как и в случае с веществами 2 и 3. А если вместо помешивания применить встряхивание (для этого использовали другое стандартное устройство - орбитальный шейкер), вещество 1 превращается преимущественно в шестичленные циклы (гексамеры). Судьба веществ 2 и 3 не зависит от механических воздействий: как их ни мешай, всё равно получаются только тримеры и тетрамеры.
Полученные результаты на первый взгляд кажутся очень странными (поклонники эпопеи о Гарри Поттере наверняка вспомнили уроки зельеварения в Хогвартсе). Каким образом способ помешивания может повлиять на исход реакции? Применив к своим растворам всю мощь современных методов аналитической химии, авторы установили, что гексамеры и гептамеры существуют в растворе не поодиночке, а в виде длинных нитей - фибрилл. Каждая нить представляет собой «стопку» кольцевых молекул, приклеенных друг к другу благодаря способности пептидов образовывать бета-листы. Ширина фибриллы составляет от 4,7 до 4,9 нанометров, что соответствует диаметру гекса- и гептамеров с торчащими наружу пептидными радикалами. Длина фибрилл может достигать 1-2 микрометров.
Оба конца фибриллы служат «точками роста», к которым приклеиваются всё новые и новые кольцевые молекулы. Приклеивание идет избирательно: к гексамерам прилипают гексамеры, к гептамерам - гептамеры. Молекулы, приклеившиеся к фибрилле, выпадают из дальнейших превращений, то есть обретают стабильность. Таким образом, гептамеры и гексамеры ведут себя как настоящие репликаторы: они стимулируют образование собственных копий. При этом они конкурируют друг с другом за «пищу», то есть за моно-, три- и тетрамеры, служащие исходным субстратом для синтеза новых гекса- и гептамеров.
Причем же тут помешивание? При помощи ряда дополнительных экспериментов авторы выяснили, что разные способы механического воздействия по-разному влияют на фибриллы, состоящие из шести- и семичленных молекул. При встряхивании фибриллы, состоящие из гексамеров, рвутся чаще, чем гептамерные. Вероятно, это объясняется тем, что гептамеры склеиваются друг с другом прочнее, чем гексамеры: первые удерживаются вместе семью бета-листами, вторые - только шестью. Чем чаще рвутся фибриллы определенного типа, тем больше возникает новых точек роста и тем быстрее идет синтез и стабилизация соответствующих кольцевых молекул. Поэтому при встряхивании гексамеры размножаются быстрее и побеждают своих семичленных конкурентов в борьбе за субстрат.
При помешивании магнитной мешалкой обе разновидности фибрилл рвутся с примерно одинаковой частотой. Фибриллы измельчаются мешалкой, трущейся о дно сосуда. При таком способе фрагментации фибрилл небольшие различия в их прочности уже не имеют значения. Поэтому при изначально равном количестве гекса- и гептамеров будет образовываться равное количество новых точек роста обоих типов. В такой ситуации победителем в конкурентной борьбе становится тот из двух репликаторов, который реплицируется быстрее (то есть быстрее наращивает свои фибриллы). Гептамерные фибриллы растут быстрее гексамерных, и поэтому в таких условиях победа оказывается на стороне семичленных молекул.
Выяснилось также, что гептамеры и гексамеры не могут съесть друг друга: они питаются только моно-, три- и тетрамерами. Размножение обоих типов репликаторов в среде с ограниченным количеством «пищи» идет по сигмоидальной кривой, как и положено любым размножающимся биообъектам: сначала их численность растет с ускорением, затем рост замедляется и в конце концов останавливается. Если добавить в раствор новую порцию «пищи», рост возобновляется.
Исследованные авторами химические репликаторы могут размножаться и конкурировать друг с другом, но они не могут мутировать и подвергаться отбору (в отличие, например, от прионов, в размножении которых тоже играют важную роль бета-листы). Но авторы не ставили себе целью создать искусственную жизнь. Да и молекулы, с которыми они работали, слишком далеки от биологической реальности. Смысл работы в другом: она показала, что исход конкурентной борьбы между химическими репликаторами может зависеть не только от химических, но и от механических факторов. Это существенно расширяет круг возможностей для исследователей, ищущих подходы к пониманию предбиологической эволюции.