Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, привносит важные факты в один из ключевых вопросов происхождения жизни: как из простых химических веществ могли сформироваться сложные молекулы, которые в дальнейшем обеспечили появление живых систем. Работа, проведённая международной группой учёных, показывает, что минеральное соединение борат сыграло существенную роль в процессе формирования рибонуклеиновой кислоты (РНК) — молекулы, рассматриваемой как один из первых информационных биологических носителей.
Контекст научной задачи: происхождение РНК
В современной теории происхождения жизни одним из центральных положений является гипотеза мира РНК. Согласно этой идее, возникновение самовоспроизводящихся и каталитически активных молекул РНК предшествовало появлению более сложных молекул, таких как белки и ДНК. РНК обладает способностью одновременно хранить генетическую информацию и катализировать химические реакции, что делает её возможным кандидатом на роль первой биологической молекулы.
Одной из основных проблем остаётся то, как в условиях молодой Земли могли образоваться длинные цепочки РНК из простых ингредиентов, учитывая, что на ранней планете присутствовали лишь базовые газы, вода и минеральные материалы.
«Модель непрерывного синтеза» и лабораторные эксперименты
Авторы исследования обратились к концепции, известной как Discontinuous Synthesis Model (DSM) — «модель дискретного синтеза». В рамках DSM выделяют шесть последовательных химических шагов, начиная от преобразования простых газов ранней атмосферы в сахара и заканчивая образованием цепочек РНК длиной от 100 до 200 нуклеотидов.
В новой работе учёные поставили цель проверить, могут ли эти шесть этапов происходить совместно в естественной среде, без вмешательства человека, а также определить, как влияют на процесс минералы, особенно борат — соединение, содержащее элемент бор.
Для этого исследователи в лаборатории моделировали подземные водные системы, характерные для ранней Земли, с участием базальтовой породы. Эти системы периодически пересыхали и снова заполнялись водой, что отражает реальные геологические условия древней планеты.
Роль бората в химических реакциях
До настоящей работы учёные полагали, что борат может мешать некоторым химическим шагам, пристально связываясь с ключевыми молекулами и предотвращая их дальнейшее преобразование. Новые эксперименты, однако, показали противоположный эффект:
- борат способствует осуществлению всех шести этапов модели DSM одновременно;
- он очищает среду от нежелательных побочных продуктов, которые могли бы тормозить процесс;
- он поддерживает стабильный уровень кислотности (pH), благоприятный для реакций, ведущих к образованию РНК.
Это открытие важно по двум причинам: во-первых, оно подтверждает, что все необходимые этапы синтеза РНК могли происходить вместе в природных условиях; во-вторых, оно указывает на борат как на минеральный компонент, который не мешает, а способствует этому процессу.
Почему борат оказался полезным
Борат — это минерал, содержащий бор, который образует устойчивые комплексы с сахарами, включая рибозу — пятиуглеродный сахар, ключевой компонент РНК. В экспериментах борат взаимодействовал с молекулами сахаров и фосфатными группами, помимо прочего:
- стабилизируя промежуточные продукты реакции, которые иначе могли бы разрушиться;
- обеспечивая условия, при которых последовательные химические шаги происходили без внешнего контроля.
Авторы отмечают, что именно сочетание водных сред, базальтовых пород (богатых кремнезёмом) и боратов могло создать естественную среду, в которой химические процессы шли достаточно эффективно, чтобы привести к формированию цепочек длиной в десятки и сотни звеньев.
Что это означает для понимания зарождения жизни
Полученные результаты укрепляют одну из ключевых идей о возможности естественного возникновения сложных молекул вопреки трудностям, связанным с их химической нестабильностью. Это значимое приближение к пониманию того, как в геологически молодую эпоху Земли могли возникнуть первые биологически значимые молекулы.
Кроме того, успех лабораторных экспериментов с боратами подтверждает, что элементы присутствующие в раннем геохимическом окружении Земли способны играть активную роль в образовании предбиотических молекул — от простых сахаров до полимеров, необходимых для информационной молекулярной структуры.
Возможные геохимические условия ранней планеты
Условия на Земле примерно 4,3 миллиарда лет назад (то есть вскоре после её формирования) были кардинально иными, чем сегодня:
- атмосфера состояла преимущественно из диоксида углерода, азота, водяного пара и сернистого газообразного диоксида;
- крупные удары астероидов временно восстанавливали редуцирующие условия, которые способствовали химической активности;
- подземные водные системы на базальтовой основе могли служить естественными реакторами для формирования органических молекул.
Такая среда, по мнению авторов исследования, действительно могла быть способной производить РНК-предшественники без внешних «искусственных» вмешательств, что делает модель происхождения жизни более реалистичной.
Ограничения и дальнейшие задачи
Несмотря на значимость открытых фактов, исследователи подчёркивают, что полная модель возникновения жизни всё ещё требует дополнительных данных. Дальнейшие эксперименты нужны для уточнения условий, при которых борат действительно усиливает синтез ключевых соединений, а также для определения того, какие ещё минералы могли участвовать в этих процессах.
Тем не менее сейчас уже можно утверждать, что необходимые химические этапы для образования первых информационных молекул способны происходить в естественной среде, а не только в строго контролируемых лабораторных условиях.
Итог
Новое исследование демонстрирует, что минерал борат играет положительную роль в химических процессах, приводящих к образованию РНК — молекулы, считающейся одним из первых строительных блоков жизни на Земле. Он не только не препятствует реакции, но и ускоряет и стабилизирует её. Такие эксперименты помогают понять, как химия примитивной Земли могла перейти от простых молекул к сложным биологическим структурам без вмешательства внешних механизмов, что является важным шагом в решении одной из ключевых научных задач — происхождения жизни.
Источники:
Статья создана по материалам https://phys.org/news/2025-12-life-molecule-borate-boosts-formation.html
