Фундаментальной загадкой происхождения жизни является ее молекулярная асимметрия, или гомохиральность. Подобно тому, как у человека есть левая и правая рука, многие молекулы существуют в двух зеркальных формах. Однако жизнь на Земле избирательна: белки построены исключительно из левовращающих аминокислот, а сахара в ДНК и РНК – из правовращающих. Понимание того, как возникла эта строгая односторонняя предпочтительность, остается ключевым вопросом науки.
Новое исследование, проведенное под эгидой Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском технологическом институте и опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), проливает свет на эту проблему. Работа стала результатом многолетнего междисциплинарного сотрудничества ученых из семи стран Азии, Европы, Австралии и Северной Америки.
Основной вывод исследования заключается в том, что ионы кальция (Ca²⁺) могли играть неожиданную и решающую роль в формировании самых ранних молекулярных структур жизни. Доступность кальция на ранней Земле могла создавать локальные среды, которые либо способствовали, либо препятствовали образованию гомохиральных полимеров – длинных молекулярных цепочек с одинаковой «рукостью».
В качестве модельной молекулы ученые использовали винную кислоту (ВК) – простое соединение, имеющее два хиральных центра. Целью экспериментов было изучение влияния условий ранней Земли на формирование гомохиральных полимеров из этого вещества. Винная кислота способна образовывать полиэфиры – простые полимеры.
Эксперименты показали, что в отсутствие ионов кальция чистая левовращающая (L-ВК) или правовращающая (D-ВК) винная кислота легко полимеризуется, образуя полиэфиры. Однако смесь, содержащая равные количества обеих форм (рацемическая смесь), полимеризовалась с трудом или не полимеризовалась вовсе.
Добавление ионов кальция кардинально меняло картину. Кальций, наоборот, замедлял полимеризацию чистых (гомохиральных) форм винной кислоты. В то же время, он способствовал полимеризации смешанных (рацемических) растворов винной кислоты. Этот результат оказался совершенно контринтуитивным.
Предложены два механизма, объясняющие влияние кальция. Во-первых, ионы кальция связываются с винной кислотой, образуя кристаллы тартрата кальция. Этот процесс избирательно удаляет из раствора равные количества лево- и правовращающих молекул. Во-вторых, присутствие кальция изменяет саму химию полимеризации тех молекул винной кислоты, которые остаются в растворе после кристаллизации.
Совокупный эффект этих процессов мог усиливать даже небольшие первоначальные дисбалансы в соотношении левых и правых молекул в окружающей среде, постепенно приводя к доминированию одной из форм – той самой гомохиральности, которую мы наблюдаем в живых системах сегодня.
Эти результаты указывают на то, что полиэфиры, подобные тем, что образуются из винной кислоты, могли быть одними из первых гомохиральных молекул жизни, возможно, даже предшествуя появлению РНК, ДНК или белков. Исследование смещает фокус с исключительно нуклеиновых кислот и аминокислот на потенциальную роль других, более простых полимеров в самых ранних этапах зарождения жизни.
Различные условия на ранней Земле могли определять тип образующихся полимеров. В средах, бедных кальцием, например, в некоторых озерах или прудах, могло быть благоприятным образование гомохиральных полимеров. Напротив, в средах, богатых кальцием, преимущество могли получать полимеры со смешанной хиральностью.
Ключевыми участниками исследования выступили Чэнь Чэнь, специальный постдокторант из Центра науки об устойчивых ресурсах RIKEN (CSRS), Тони Ц. Цзя, специально назначенный доцент из Института наук о Земле и жизни (ELSI), и Жуйцинь И из Гуанчжоуского института геохимии Китайской академии наук. Их работа объединила подходы химии, биофизики, геологии и материаловедения.
Полученные данные не только углубляют понимание механизмов зарождения жизни на Земле, но и имеют значение для астробиологии. Они предполагают, что схожие процессы, зависящие от минерального состава среды, могли или могут происходить на других планетах, что важно учитывать при поиске признаков внеземной жизни.
Изображение носит иллюстративный характер
Новое исследование, проведенное под эгидой Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском технологическом институте и опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), проливает свет на эту проблему. Работа стала результатом многолетнего междисциплинарного сотрудничества ученых из семи стран Азии, Европы, Австралии и Северной Америки.
Основной вывод исследования заключается в том, что ионы кальция (Ca²⁺) могли играть неожиданную и решающую роль в формировании самых ранних молекулярных структур жизни. Доступность кальция на ранней Земле могла создавать локальные среды, которые либо способствовали, либо препятствовали образованию гомохиральных полимеров – длинных молекулярных цепочек с одинаковой «рукостью».
В качестве модельной молекулы ученые использовали винную кислоту (ВК) – простое соединение, имеющее два хиральных центра. Целью экспериментов было изучение влияния условий ранней Земли на формирование гомохиральных полимеров из этого вещества. Винная кислота способна образовывать полиэфиры – простые полимеры.
Эксперименты показали, что в отсутствие ионов кальция чистая левовращающая (L-ВК) или правовращающая (D-ВК) винная кислота легко полимеризуется, образуя полиэфиры. Однако смесь, содержащая равные количества обеих форм (рацемическая смесь), полимеризовалась с трудом или не полимеризовалась вовсе.
Добавление ионов кальция кардинально меняло картину. Кальций, наоборот, замедлял полимеризацию чистых (гомохиральных) форм винной кислоты. В то же время, он способствовал полимеризации смешанных (рацемических) растворов винной кислоты. Этот результат оказался совершенно контринтуитивным.
Предложены два механизма, объясняющие влияние кальция. Во-первых, ионы кальция связываются с винной кислотой, образуя кристаллы тартрата кальция. Этот процесс избирательно удаляет из раствора равные количества лево- и правовращающих молекул. Во-вторых, присутствие кальция изменяет саму химию полимеризации тех молекул винной кислоты, которые остаются в растворе после кристаллизации.
Совокупный эффект этих процессов мог усиливать даже небольшие первоначальные дисбалансы в соотношении левых и правых молекул в окружающей среде, постепенно приводя к доминированию одной из форм – той самой гомохиральности, которую мы наблюдаем в живых системах сегодня.
Эти результаты указывают на то, что полиэфиры, подобные тем, что образуются из винной кислоты, могли быть одними из первых гомохиральных молекул жизни, возможно, даже предшествуя появлению РНК, ДНК или белков. Исследование смещает фокус с исключительно нуклеиновых кислот и аминокислот на потенциальную роль других, более простых полимеров в самых ранних этапах зарождения жизни.
Различные условия на ранней Земле могли определять тип образующихся полимеров. В средах, бедных кальцием, например, в некоторых озерах или прудах, могло быть благоприятным образование гомохиральных полимеров. Напротив, в средах, богатых кальцием, преимущество могли получать полимеры со смешанной хиральностью.
Ключевыми участниками исследования выступили Чэнь Чэнь, специальный постдокторант из Центра науки об устойчивых ресурсах RIKEN (CSRS), Тони Ц. Цзя, специально назначенный доцент из Института наук о Земле и жизни (ELSI), и Жуйцинь И из Гуанчжоуского института геохимии Китайской академии наук. Их работа объединила подходы химии, биофизики, геологии и материаловедения.
Полученные данные не только углубляют понимание механизмов зарождения жизни на Земле, но и имеют значение для астробиологии. Они предполагают, что схожие процессы, зависящие от минерального состава среды, могли или могут происходить на других планетах, что важно учитывать при поиске признаков внеземной жизни.
