Учёные нашли вероятное геологическое условие для зарождения жизни на Земле
Исследователи обнаружили вероятную эволюционную среду, в которой нуклеиновые кислоты — фундаментальные генетические строительные блоки жизни — могли обеспечить собственную репликацию, что, возможно, привело к появлению жизни на Земле.
Исследование, опубликованное как рецензированная препринт в eLife, показывает, как простая геофизическая среда потока газа над узким каналом с водой может создать физические условия, ведущие к репликации нуклеиновых кислот.
Появление жизни на Земле остаётся нерешённой загадкой, но распространённая теория гласит, что репликация генетического материала — нуклеиновых кислот ДНК и РНК — была центральным и критическим процессом. Молекулы РНК могут хранить генетическую информацию и катализировать собственную репликацию, образуя двойные спирали. Это позволяет им мутировать, эволюционировать, адаптироваться и в конечном итоге кодировать белковые строительные блоки жизни.
Для этого цепи РНК должны не только реплицироваться в двухцепочечную форму, но и снова разделяться, чтобы завершить цикл. Однако разделение цепей — сложная задача при высоких концентрациях соли и нуклеиновых кислот, необходимых для репликации.
«Изучались различные механизмы для разделения цепей ДНК в условиях зарождения жизни, но все они требуют изменения температуры, что привело бы к деградации нуклеиновых кислот», — говорит ведущий автор Филипп Швинтек.
Команда исследовала простой и повсеместный геологический сценарий, где движение воды через пору в скале высушивалось газом, просачивающимся через породу к поверхности. Такие условия были бы очень распространены на вулканических островах ранней Земли.
Исследователи построили лабораторную модель поры, где восходящий поток воды испарялся на пересечении с перпендикулярным потоком газа. Это приводит к накоплению растворённых молекул газа на поверхности. Поток газа также индуцирует круговые течения в воде, возвращая молекулы обратно в объём.
Используя флуоресцентно меченые короткие фрагменты ДНК, они обнаружили, что нуклеиновые кислоты накапливаются у границы газ/вода. Через пять минут эксперимента наблюдалось трёхкратное накопление цепей ДНК, а через час — в 30 раз больше.
Для завершения цикла репликации необходимо также разделение двойных цепей ДНК. Обычно для этого требуется изменение температуры, но при постоянной температуре необходимы изменения концентрации соли.
«Мы предположили, что круговое течение жидкости на границе раздела, создаваемое потоком газа, наряду с пассивной диффузией, будет приводить к разделению цепей, заставляя нуклеиновые кислоты проходить через области с разной концентрацией соли», — объясняет старший автор Дитер Браун.
Используя метод FRET-спектроскопии, они измерили разделение цепей ДНК. Высокий сигнал FRET показывает, что цепи всё ещё связаны, а низкий — что они разделены. Как и ожидалось, сигнал FRET изначально увеличивался у границы, указывая на образование двухцепочечной ДНК. Но в ходе эксперимента, при восходящем потоке воды, сигнал FRET был низким — что указывало на одноцепочечную ДНК.
Совместив эти данные с симуляцией потока воды и концентрации соли, они обнаружили, что вихрь на границе газ-вода вызывал изменения концентрации соли до трёхкратного увеличения, что потенциально способно приводить к разделению цепей.
Хотя нуклеиновые кислоты и соли накапливались у границы, в основном объёме воды их концентрации оставались крайне низкими. Команда проверила, может ли в этой среде происходить репликация, добавив в модель поры нуклеиновые кислоты с флуоресцентной меткой и фермент, способный синтезировать двухцепочечную ДНК.
В отличие от обычных лабораторных реакций синтеза ДНК, температура поддерживалась постоянной, а реакция подвергалась комбинированному притоку воды и газа. Через два часа флуоресцентный сигнал увеличился, указывая на рост числа реплицированных молекул двухцепочечной ДНК. Когда же приток газа и воды отключали, увеличения сигнала и, следовательно, двухцепочечной ДНК не наблюдалось.
«Мы исследовали вероятную и распространённую геологическую среду, которая могла запустить репликацию ранней жизни, — заключает Браун. — Мы рассмотрели условия потока газа над открытой порой, заполненной водой, без изменения температуры, и обнаружили, что комбинированный поток газа и воды может вызывать колебания соли, которые поддерживают репликацию ДНК.
Поскольку это очень простая геометрия, наши выводы значительно расширяют репертуар потенциальных сред, которые могли бы обеспечить репликацию на ранних планетах».