Ключевые ранние этапы возникновения жизни возможны в различных условиях
Потенциальные предшественники жизни на Земле могут формироваться из разнообразных сложных смесей. Это указывает на возможность развития строительных блоков, критически важных для образования генетических молекул в период зарождения жизни.
Генетические молекулы обеспечивают способность хранить и воспроизводить информацию и, вероятно, были критичны для происхождения жизни. Однако оставалось неясным, как они возникли из сложных химических сред, существовавших на ранней Земле. Новые данные, опубликованные в журнале Scientific Reports, предполагают, что ответ может начинаться с азотистых гетероциклов — кольцевых молекул, которые, как полагают, были распространены на молодой Земле и в других частях Солнечной системы. Несколько типов гетероциклов служат нуклеотидными основаниями, или субъединицами, ДНК и РНК — генетических молекул, используемых известной нам жизнью.
"Одна из проблем изучения происхождения жизни — расшифровка того, какие реакции были ключевыми шагами", — сказал Кристофер Хаус, профессор геонаук в Penn State. — "Наша работа определила наиболее вероятные следующие шаги, которые эти молекулы могли и должны были сделать".
В серии экспериментов исследователи обнаружили, что азотистые гетероциклы могли служить строительными блоками для жизни. Тесты генерировали сложные химические смеси, подобные тем, что могли создаваться ударами молний в атмосфере ранней Земли. Десятки различных гетероциклов производили сходные примитивные генетические предшественники, даже когда состав атмосферы в исследовании варьировался.
"Настоящими сюрпризами стало то, что так много различных таких кольцевых молекул оказались реакционноспособными и что они формировали один и тот же следующий шаг независимо от того, какую смоделированную атмосферу мы использовали", — отметил Хаус.
Результаты поддерживают гипотезу о том, что более простые генетические структуры могли предшествовать образованию ДНК и РНК, и предполагают, что аналогичные пребиотические реакции могли происходить в других местах Солнечной системы.
В отличие от предыдущих исследований, изучавших подобные реакции в изолированных условиях, команда использовала органически сложные смеси, лучше имитирующие химию ранней Земли, не зная, будут ли эти реакции представлять конструктивный шаг к жизни или тупик.
В исследовании гетероциклы реагировали в сложной смеси с образованием химически активных боковых цепей — структур, которые связывают гетероциклы вместе и способствуют формированию более сложных молекул.
Эти модифицированные гетероциклы могли служить субъединицей пептидных нуклеиновых кислот (PNA), предполагаемого предшественника РНК. Тот факт, что они так легко образовывались в различных атмосферных условиях, поддерживает теорию о том, что PNA могли сформироваться на пребиотической Земле.
"Наши результаты намекают на возможность существования PNA на ранней Земле, поскольку мы наблюдали множество устойчивых синтетических путей для некоторых его компонентов", — сказал Майк Каллахан, доцент химии в Университете Бойсе.
Выводы также имеют значение для подобных генетических предшественников на других мирах.
"Органические вещества, реагирующие с гетероциклами и образующие эти боковые цепи, также были идентифицированы в межзвездной среде, кометах и даже в атмосфере Титана", — сказала Лора Родригес, руководившая исследованием. — "И поскольку реакции были устойчивы в сложных смесях в широком диапазоне условий, наши результаты могут иметь значение для образования PNA за пределами Земли".
Исследование финансировалось программой NASA Exobiology, Институтом астробиологии NASA через Центр астробиологии Годдарда и Центром астробиологических исследований Penn State.