Происхождение жизни на Земле может быть внеземным
Исследования показали, что аминокислоты могут образовывать пептиды - строительные блоки жизни - в космосе, что потенциально объясняет происхождение жизни. Согласно предыдущим теориям, аминокислоты, занесенные кометами и метеоритами, засеяли Землю на ранних этапах ее формирования. Тогда превращение этих кислот в пептиды произошло после их прибытия, а не до. Новое исследование опровергает это представление, утверждая, что такое преобразование может происходить в космосе.
Как зародилась жизнь? Это один из самых фундаментальных вопросов, который задавали на протяжении всей истории человечества и религиозные деятели, и философы, и ученые. Но по состоянию на 2022 год на него нет единого ответа.
Для ученых этот вопрос в первую очередь связан с происхождением одноклеточных организмов, которые, судя по окаменелостям, появились через несколько сотен миллионов лет после образования планеты. Это объясняется главным образом тем, что именно эти одноклеточные организмы заложили основу для эволюционного процесса, основанного на естественном отборе, который привел к появлению широкого спектра сложных форм жизни, которые мы видим сегодня. Тем не менее, вопрос о том, как эти самые первые организмы зародились, остается без ответа.
Теперь группа исследователей из Йенского университета имени Фридриха Шиллера и Института астрономии Макса Планка показала, что в суровых условиях космоса аминокислоты могут превращаться в более сложные пептиды - ключевой компонент жизни.
Согласно пресс-релизу, анонсирующему новое исследование, "аминокислоты, нуклеобазы и различные сахара, обнаруженные, например, в метеороидах, показывают, что их происхождение может быть внеземным. Однако для образования пептида из отдельных молекул аминокислот необходимы особые условия, которые, как считалось ранее, скорее всего, существуют на Земле".
До сих пор эти условия обычно включали присутствие воды, прежде всего потому, что каждый раз, когда базовая аминокислота соединяется с другой для образования пептидной цепи, молекула воды должна быть удалена.
"Вода играет важную роль в обычном способе создания пептидов", - пояснил доктор Серж Краснокутски из группы лабораторной астрофизики и физики кластеров института. "Наши квантово-химические расчеты показали, что аминокислота глицин может быть образована путем соединения химического прекурсора - аминокетена - с молекулой воды. Проще говоря, в этом случае для первого этапа реакции необходимо добавить воду, а для второго - удалить".
Это противоречивое стечение обстоятельств заставило исследователей взглянуть на происхождение пептидов совершенно иным, шокирующе более простым способом, исключив один из двух этапов и воду из процесса вообще.
"Вместо того чтобы идти химическим путем, в ходе которого образуются аминокислоты, мы хотели выяснить, не могут ли вместо них образовываться молекулы аминокетонов и соединяться напрямую, образуя пептиды", - сказал Краснокутский. "И мы сделали это в условиях, которые преобладают в космических молекулярных облаках, то есть на частицах пыли в вакууме, где в изобилии присутствуют соответствующие химические вещества: углерод, аммиак и угарный газ".
Чтобы проверить эту гипотезу, команда использовала сверхвысоковакуумную камеру, которая позволила им смоделировать среду космоса, опустив ее примерно до одной квадриллионной нормального давления воздуха и минус 263 градусов Цельсия. Внутри камеры они поместили искусственные субстраты, которые служили моделями частиц пыли, подобных тем, которые встречаются в межзвездном пространстве. Когда исследователи ввели молекулы углерода, аммиака и монооксида углерода на поверхность имитированных пылевых частиц, они наблюдали одномоментное превращение отдельных аминокислот глицина в пептидную цепь полиглицина. И все это без добавления воды.
"Исследования показали, что в этих условиях пептидный полиглицин образовался из простых химических веществ", - говорит Краснокутский. "Таким образом, это цепочки очень простой аминокислоты глицина".
"И мы наблюдали различную длину", - добавил Краснокутски относительно сложности пептидов, наблюдаемых в их экспериментах. "Самые длинные образцы состояли из одиннадцати единиц аминокислоты".
По словам исследовательской группы, успех этого безводного, одноступенчатого преобразования основан главным образом на одной "чрезвычайно реактивной" аминокислоте - аминокетоне.
"Тот факт, что реакция может происходить при таких низких температурах, объясняется тем, что молекулы аминокетена чрезвычайно реакционноспособны", - говорит Краснокутский. "Они соединяются друг с другом в эффективной полимеризации. Продуктом этого является полиглицин".
Исследователи говорят, что их удивило, что эта полимеризация аминокетена может происходить в таких экстремальных, похожих на космические, условиях, прежде всего из-за энергетического барьера, который необходимо преодолеть для этого превращения. Однако теперь они подозревают, что что-то может происходить на очень малых масштабах - явление, известное как квантовое туннелирование, которое помогает аминокислоте обойти этот энергетический барьер и сформировать настоящие пептидные цепи.
"Возможно, в этом нам помогает особый эффект квантовой механики", - говорит Краснокутски. "На этом особом этапе реакции атом водорода меняет свое место. Однако он настолько мал, что, будучи квантовой частицей, не смог преодолеть барьер, а просто смог пересечь его, так сказать, с помощью эффекта туннелирования".
Опубликованное в журнале Nature Astronomy, это всего лишь одно исследование. Но если результаты подтвердятся, они покажут, что аминокислотам, скорее всего, не нужны были условия ранней Земли, чтобы объединиться в сложные молекулы. Напротив, эти условия, возможно, уже существуют в межзвездном пространстве, и ранней Земле просто нужно было достаточно охладиться (и успокоиться), чтобы эти строительные блоки жизни закрепились. Если это правда, то вопрос о "происхождении жизни" может оставаться открытым, но это также означает, что может появиться новое место для поиска ответа.
"Теперь, когда стало ясно, что не только аминокислоты, но и пептидные цепи могут быть созданы в космических условиях", - говорится в пресс-релизе, - "возможно, при исследовании происхождения жизни нам придется обратить внимание не только на Землю, но и на космос".