Четыре миллиарда лет назад Земля выглядела совсем иначе, чем сегодня, лишенная жизни и покрытая огромным океаном. В течение миллионов лет в этом изначальном бульоне зарождалась жизнь. Исследователи уже давно создают разные гипотезы и теории, как молекулы объединились, чтобы вызвать этот переход, сообщает «phys.org».
Теперь ученые из Scripps Research обнаружили новый набор химических реакций, которые используют цианид, аммиак и углекислый газ — все они считались распространенными на ранней Земле — для генерации аминокислот и нуклеиновых кислот, строительных блоков белков и ДНК.
«Мы придумали новую парадигму, чтобы объяснить этот переход от пребиотической к биотической химии», — говорит Раманараянан Кришнамурти, доктор философии и химии в Scripps Research и ведущий автор новой статьи.
«Мы думаем, что реакции, которые мы описали, вероятно, являются тем, что могло произойти на ранней Земле».
В дополнение к тому, чтобы дать исследователям представление о химии ранней Земли, недавно обнаруженные химические реакции также полезны в определенных производственных процессах, таких как производство специально маркированных биомолекул из недорогих исходных материалов.
Ранее в этом году группа Кришнамурти показала, как цианид может обеспечить химические реакции, которые превращают пребиотические молекулы и воду в основные органические соединения, необходимые для жизни.
В отличие от ранее предложенных реакций, эта работала при комнатной температуре и в широком диапазоне рН. Исследователи задались вопросом, существует ли в тех же условиях способ генерации аминокислот, более сложных молекул, которые составляют белки во всех известных живых клетках.
В современных клетках аминокислоты генерируются из предшественников, называемых α-кетокислотами, с использованием как азота, так и специализированных белков, называемых ферментами.
Исследователи нашли доказательства того, что α-кетокислоты, вероятно, существовали в начале истории Земли. Однако многие предположили, что до появления клеточной жизни аминокислоты должны были генерироваться из совершенно других предшественников, альдегидов, а не α-кетокислот, поскольку ферментов для осуществления конверсии еще не существовало.
Но эта идея привела к дебатам о том, как и когда произошел переход от альдегидов к α-кетокислот в качестве ключевого ингредиента для производства аминокислот.
После их успеха в использовании цианида для управления другими химическими реакциями Кришнамурти и его коллеги подозревали, что цианид, даже без ферментов, также может помочь превратить α-кетокислоты в аминокислоты. Поскольку они знали, что азот потребуется в той или иной форме, они добавили аммиак — форму азота, которая присутствовала бы на ранней Земле. Затем, методом проб и ошибок, они обнаружили третий ключевой ингредиент: углекислый газ. С этой смесью они быстро начали видеть образование аминокислот.
«Мы ожидали, что будет довольно трудно понять это, и это оказалось даже проще, чем мы себе представляли», — говорит Кришнамурти. «Если вы смешиваете только кетокислоту, цианид и аммиак, он просто сидит там. Как только вы добавляете углекислый газ, реакция набирает скорость».
Поскольку новая реакция относительно похожа на то, что происходит сегодня внутри клеток, за исключением того, что она управляется цианидом вместо белка, она, скорее всего, является источником ранней жизни, говорят исследователи.
Исследование также помогает объединить две стороны давних дебатов о важности углекислого газа для ранней жизни, заключив, что углекислый газ был ключевым, но только в сочетании с другими молекулами.
В процессе изучения их химического супа группа Кришнамурти обнаружила, что побочным продуктом той же реакции является оротат, предшественник нуклеотидов, которые составляют ДНК и РНК. Это говорит о том, что тот же первичный бульон при правильных условиях мог породить большое количество молекул, которые необходимы для ключевых элементов жизни.