Ученые приблизились к разгадке происхождения жизни: «упрощенные белки» показали, как могла работать ранняя биохимия Земли

Исследователи, изучающие происхождение жизни на Земле, все активнее приходят к выводу, что первые биологические молекулы были значительно проще современных. Новое исследование, посвященное так называемым «упрощенным белкам», показывает, что ранняя биохимия могла возникнуть даже в крайне примитивных условиях, когда на молодой Земле еще не существовало сложного набора аминокислот и стабильных клеточных структур.

Работа основана на обзоре современных экспериментов в области происхождения жизни и моделирования древней химической среды Земли. Главный вывод исследователей заключается в том, что для появления первых белков могло потребоваться гораздо меньше химической сложности, чем считалось ранее.

Это важный результат не только для понимания происхождения жизни на Земле, но и для поиска жизни на других планетах и спутниках.

Почему белки считаются основой жизни

Белки — одни из главных молекул живых организмов.

Именно они выполняют большую часть сложной работы внутри клеток:

• ускоряют химические реакции;
• транспортируют вещества;
• формируют ткани;
• участвуют в передаче сигналов;
• обеспечивают иммунную защиту;
• управляют обменом веществ.

Практически все процессы в организме прямо или косвенно зависят от белков.

Современные белки невероятно сложны. Они состоят из длинных цепочек аминокислот, свернутых в точные трехмерные структуры.

Именно форма белка определяет его функцию.

Даже небольшое нарушение структуры способно полностью изменить свойства молекулы.

Белки состоят из аминокислот

Все современные живые организмы используют примерно 20 основных аминокислот для построения белков.

Из них формируются огромные комбинации молекул.

Однако ученые давно подозревали, что на ранней Земле ситуация была намного проще.

Миллиарды лет назад:

• атмосфера была другой;
• океаны имели иной химический состав;
• сложная биохимия еще не существовала;
• многие современные молекулы отсутствовали.

Это означает, что первые белки, вероятно, создавались из гораздо более ограниченного набора компонентов.

Что такое «упрощенные белки»

Именно эту идею исследуют современные эксперименты с «упрощенными белками».

Ученые искусственно создают белковые молекулы, используя не все 20 аминокислот, а только часть из них.

Этот метод называют «alphabet reduction» — сокращение биохимического алфавита.

В ряде экспериментов исследователи использовали всего:

• 7;
• 10;
• 14 типов аминокислот.

И результаты оказались неожиданными.

Даже при столь ограниченном наборе молекулы все равно могли:

• сворачиваться в устойчивые структуры;
• образовывать сложные формы;
• выполнять базовые функции белков.

Почему это важно для происхождения жизни

Одной из главных проблем теорий происхождения жизни всегда оставался вопрос сложности.

Современные белки кажутся слишком сложными для случайного возникновения.

Но новые исследования показывают, что самые первые белковые структуры могли быть намного проще.

Это означает:

• ранняя биохимия могла возникнуть легче;
• для первых белков не требовался современный набор аминокислот;
• сложность жизни могла расти постепенно.

Фактически ученые получают все больше доказательств того, что между «мертвой химией» и живыми системами не существовало резкого скачка.

Ранняя Земля была химически хаотичным миром

Возраст Земли составляет около 4,54 миллиарда лет.

В первые сотни миллионов лет планета выглядела совершенно иначе:

• происходил интенсивный вулканизм;
• атмосфера почти не содержала кислорода;
• поверхность подвергалась бомбардировке астероидами;
• океаны были богаты растворенными химическими веществами.

В такой среде постоянно происходили химические реакции.

Многие исследователи считают, что именно эти процессы постепенно привели к появлению первых самовоспроизводящихся молекул.

Первые белки могли быть очень короткими

Современные белки часто состоят из сотен аминокислот.

Но ранние белковые структуры, вероятно, были значительно короче.

Исследования показывают, что даже небольшие цепочки способны:

• образовывать стабильные формы;
• соединяться друг с другом;
• выполнять простые химические функции.

Некоторые ученые считают, что первые белки представляли собой набор коротких повторяющихся фрагментов.

Позже они начали объединяться в более сложные структуры.

Симметрия могла стать ключом к первым белкам

Особый интерес вызывает идея симметричных белков.

Исследователи обнаружили, что короткие простые пептиды способны самостоятельно собираться в более крупные структуры, напоминающие современные белки.

Этот процесс называют homo-oligomerization.

Фактически молекулы могут «сцепляться» друг с другом как конструктор.

Это резко снижает требования к сложности первых биологических систем.

Среда ранней Земли могла помогать белкам

Еще один важный вывод связан с ролью окружающей среды.

Современные белки работают внутри клеток, где поддерживаются стабильные условия.

Но ранние молекулы были намного менее устойчивыми.

Исследование показывает, что сама среда молодой Земли могла помогать им сохранять форму.

Соленые океаны могли стабилизировать молекулы

Одним из важных факторов считаются древние океаны с высокой соленостью.

Высокая концентрация солей влияет на электрические взаимодействия между частями белковых молекул.

Это может помогать цепочкам сворачиваться в устойчивые формы.

Фактически океан ранней Земли мог выполнять роль своеобразного «биохимического каркаса».

Магний и другие ионы могли играть роль «молекулярного клея»

Исследователи также обращают внимание на роль двухвалентных ионов:

• магния;
• кальция;
• железа.

Эти элементы могли стабилизировать ранние белки и помогать молекулам взаимодействовать друг с другом.

Магний до сих пор играет критически важную роль в биохимии живых организмов.

Например:

• участвует в работе рибосом;
• необходим для синтеза ДНК;
• стабилизирует молекулы РНК.

Коацерваты могли стать прототипами клеток

Еще одной важной частью исследования являются коацерваты.

Это микроскопические капли органических веществ, способные отделяться от окружающей среды без настоящей клеточной мембраны.

Некоторые ученые считают, что именно коацерваты могли стать первыми протоклетками.

Внутри таких структур:

• вещества концентрировались;
• реакции происходили быстрее;
• молекулы легче взаимодействовали друг с другом.

Это могло ускорить химическую эволюцию.

Теория «мира РНК» остается одной из главных

Большинство современных моделей происхождения жизни связано с гипотезой «мира РНК».

Согласно ей, до появления ДНК и белков существовали молекулы РНК, способные:

• хранить информацию;
• копировать себя;
• ускорять химические реакции.

Однако сегодня многие ученые считают, что белки и РНК могли развиваться совместно, а не строго последовательно.

Некоторые аминокислоты могли появляться естественно

Еще в знаменитом эксперименте Миллера—Юри в 1953 году ученые показали, что аминокислоты способны образовываться в условиях, напоминающих раннюю Землю. (reddit.com)

Позднейшие исследования подтвердили, что часть аминокислот:

• могла синтезироваться в атмосфере;
• образовывалась возле гидротермальных источников;
• доставлялась метеоритами.

Некоторые органические молекулы обнаружены даже в межзвездных облаках и астероидах.

OSIRIS-REx усилил интерес к космической органике

Дополнительный интерес к происхождению биомолекул появился после анализа образцов астероида Bennu, доставленных миссией OSIRIS-REx.

В образцах обнаружены органические соединения и вещества, связанные с ранней химией жизни.

Это усиливает гипотезу о том, что часть строительных блоков жизни могла попадать на Землю из космоса.

Искусственный интеллект начал изучать древние белки

Одним из самых необычных направлений исследований стало применение искусственного интеллекта.

Системы вроде AlphaFold способны предсказывать структуру белков по последовательности аминокислот.

Это позволяет моделировать:

• древние белковые структуры;
• возможные ранние формы биохимии;
• условия возникновения первых молекулярных систем.

Фактически ИИ помогает ученым «заглянуть» в эпоху, от которой не осталось прямых геологических следов.

Исследования происхождения жизни важны для поиска инопланетной жизни

Работы по ранней биохимии имеют огромное значение для астробиологии.

Если жизнь может возникать из сравнительно простых молекул в подходящих условиях, то вероятность существования жизни во Вселенной возрастает.

Особый интерес вызывают:

• Europa;
• Enceladus;
• Titan;
• древний Mars.

На этих мирах могут существовать условия, напоминающие раннюю Землю.

Современная наука постепенно убирает «пропасть» между химией и жизнью

Еще несколько десятилетий назад происхождение жизни казалось практически неразрешимой загадкой.

Сегодня ситуация постепенно меняется.

Исследования показывают, что:

• простые органические молекулы образуются естественно;
• аминокислоты могут возникать без участия жизни;
• короткие пептиды способны самоорганизовываться;
• окружающая среда помогает стабилизировать молекулы;
• примитивные белки могут работать даже при минимальной сложности.

Полной теории происхождения жизни пока не существует.

Однако новые эксперименты все сильнее указывают на то, что переход от неорганической химии к первым биологическим системам мог быть постепенным и физически реализуемым процессом, а не уникальным чудом, произошедшим только однажды.

 

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com