Рецепт жизни оказался неверным? Новое исследование ставит под сомнение классическую теорию зарождения жизни

Представьте себе нашу планету миллиарды лет назад. Не лазурный шар с приветливыми океанами, а бурлящий котел: раскаленная поверхность, неумолкающие вулканы, атмосфера, больше похожая на ядовитый туман. И вот в этом, казалось бы, совершенно непригодном для жизни месте каким-то образом зародились первые молекулярные «кирпичики», из которых впоследствии собралось все живое. Как? Это одна из величайших загадок науки.

Долгое время у ученых был главный «подозреваемый» на роль поставщика одного из ключевых компонентов — сахаров, а именно рибозы. Эта молекула — не просто сладость, это основа РНК (рибонуклеиновой кислоты), древнейшей родственницы ДНК, которая, как считается, играла центральную роль на заре жизни. И вот классическая гипотеза гласила: рибоза могла образоваться сама собой из простейших веществ в ходе так называемой формозной реакции. Звучит логично? Возможно. Но недавнее исследование ученых из Института Скриппса и Технологического института Джорджии заставляет взглянуть на эту красивую теорию под совершенно другим углом.

Долгоживущий подозреваемый: Формозная реакция

Открытая совершенно случайно еще в 1861 году, формозная реакция очаровала химиков своей кажущейся простотой. Берем формальдегид — вещество, знакомое многим по специфическому запаху (используется, например, для консервации) — и в определенных условиях его молекулы начинают спонтанно «слипаться» друг с другом. Две молекулы соединяются, к ним примыкает третья, четвертая… Процесс идет по нарастающей, пока весь исходный материал не закончится.

Наблюдать за этим — отдельное зрелище. Бесцветный раствор постепенно желтеет, потом коричневеет, и наконец, превращается в темную, густую массу. Ведущий автор нового исследования, профессор Раманараянан Кришнамурти, метко сравнивает это с карамелизацией — знакомым процессом потемнения сахара при нагревании.

И все бы хорошо, но есть одна загвоздка, о которой ученые знали и раньше. Формозная реакция — штука крайне неаккуратная. Это как если бы вы бросили горсть разных деталей в ящик и трясли его в надежде, что соберется нужный механизм. Да, что-то соберется, но в основном — хаотичный набор не пойми чего. В реакционной смеси образуются сотни, если не тысячи различных соединений, и рибоза, если и появляется, то в мизерных количествах. Как же природа могла «выудить» именно ее из этого молекулярного супа?

Следствие ведут химики

Именно этот вопрос — о сложности и управляемости реакции — и решили досконально изучить Кришнамурти и его коллеги, включая Чарльза Лиотту из Технологического института Джорджии. Стандартно формозную реакцию проводят «по-жесткому»: высокая температура, очень щелочная среда (высокий pH, порядка 12-13). Но ведь условия на ранней Земле, скорее всего, были иными. Поэтому исследователи попробовали провести реакцию «по-мягкому»: комнатная температура и pH около 8 — гораздо ближе к нейтральному, что, вероятно, лучше отражает древние реалии.

Чтобы точно знать, что и в каких количествах образуется, они применили мощный инструмент — спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Говоря по-простому, это способ «увидеть» структуру молекул. Ученые метили исходный формальдегид и следили за превращениями несколько дней.

Вердикт: Не тот сахар

Что же показал эксперимент? Во-первых, реакция действительно идет и в мягких условиях. Но, увы, ее хаотичный характер никуда не делся. Формальдегид реагирует неудержимо, «пролетая» мимо возможных промежуточных стадий, где могла бы накопиться рибоза. Остановить этот процесс на полпути практически невозможно.

Но главное открытие ждало исследователей при анализе структуры получившихся сахаров. Данные ЯМР недвусмысленно показали: все сколько-нибудь крупные молекулы сахаров, образовавшиеся в ходе реакции, имели разветвленную структуру. Представьте себе ствол дерева с множеством веток. А теперь самое важное: рибоза, как и большинство сахаров, используемых живыми организмами (например, глюкоза), имеет линейную структуру — как прямой ствол без ответвлений.

Это ключевой момент. Если формозная реакция производит в основном «ветвистые» сахара, а для РНК нужны «прямые», то как она могла быть источником рибозы на заре жизни? Вывод исследователей суров, но логичен: классическая формозная гипотеза происхождения жизни, по крайней мере, в части образования линейных сахаров вроде рибозы, нуждается в серьезном пересмотре.

«Наши результаты ставят под сомнение роль формозной реакции как основы для формирования линейных сахаров,» — прямо заявляет профессор Лиотта.

Куда теперь? Новые горизонты и старые проблемы

Означает ли это, что мы снова у разбитого корыта в вопросе происхождения жизни? Не совсем. Наука тем и хороша, что постоянно ставит под сомнение устоявшиеся догмы. Результаты команды Кришнамурти — это не приговор, а скорее приглашение к поиску. Возможно, существовали другие, пока неизвестные нам химические пути, которые приводили к образованию нужных линейных сахаров в условиях древней Земли.

«Мы призываем научное сообщество мыслить шире и искать альтернативные решения,» — говорит Кришнамурти. Его команда не ставит точку, а скорее указывает на проблемы, которые нужно решить, если кто-то все еще хочет реабилитировать формозную реакцию, или же найти совершенно новый подход.

Интересно, что у исследования есть и неожиданный практический выход. Хотя мягкие условия не дали нужных для РНК сахаров, они оказались эффективны для синтеза тех самых разветвленных сахаров. А вот они-то как раз могут пригодиться… в производстве биотоплива! Так что работа, направленная на разгадку тайн далекого прошлого, может помочь в решении вполне современных энергетических задач.

Загадка происхождения жизни остается одной из самых волнующих. И пусть старая гипотеза пошатнулась, это лишь подстегивает ученых искать новые ответы. Каждый такой поворот, каждое новое исследование, даже если оно опровергает прежние идеи, приближает нас к пониманию того, как из неживой материи возникло то невероятное чудо, которое мы называем жизнью. Поиск продолжается.