Солнце послужило катализатором для зарождения жизни: новое исследование
Жизнь на Земле — это парадокс. Чтобы функционировать, организмам нужна энергия. Но для того, чтобы ее использовать, живым существам необходимы сложные механизмы ферментации, выработанные за миллионы лет эволюции, от диффузного дыхания до фотосинтеза. Но что же было раньше, организм или фермент? Новое исследование демонстрирует, что кластеры железа и серы, лежащие в основе большинства жизненно важных ферментов, могли плавать в первичных морях молодой Земли. Их возникновение обусловлено сочетанием примитивных биомолекул, солей железа и ранее неизвестным ингредиентом — солнечным светом.
До сих пор большая часть исследований происхождения жизни была сосредоточена на механизмах возникновения органических строительных компонентов, которые позже сформировали белки и РНК. Менее изученным является генезис кластеров железа и серы — активного «ядра» ферментов, являющиеся непременным атрибутом почти всех процессов клеточной химии. «Я никогда не видел организм, который бы не зависел от них», — говорит Шереф Манси, биохимик из Университета Тренто в Италии, который возглавил новую работу.
Чтобы выяснить, были ли сочетания железа и серы основным «ингредиентом» жизни с самого ее зарождения, или же первые микроорганизмы обходились без них, Манси и его команда воссоздали в своей лаборатории условия, имитирующие раннюю Землю. Клаудиа Бонфио, биохимик из Университета Тренто, удалила из среды кислород и смешала вместе раствор с ионами железа и глутатионами — серосодержащими пептидами, которые, вероятно, присутствовали в пребиотическом «химическом супе» — жидкой среде, из который и зародилась жизнь. Пока железо оставалось в двухвалентной форме, ничего не происходило. Но стоило включить УФ-лампы — и началась самая настоящая магия.
По словам ученых, уже спустя несколько минут наблюдается образование железо-серосодержащих кластеров. Под воздействием УФ-излучения раствор изменял цвет с фиолетового на красный, что указывает на протекание реакции между железом и серой. Если подвергнуть среду длительному облучению, то реакция протекает и дальше, отчего раствор становится коричневым. В результате, свет одновременно высвобождал атомы серы из пептидов и окислял железо, переводя его в трехвалентную форму, которая легко взаимодействует с серой, образуя соли. Исследование опубликовано в Nature Chemistry.
После этого группа протестировала более 30 потенциальных соединений в различных условиях и обнаружила, что реакции также протекают и с более простыми серосодержащими молекулами. Авторы отмечают, что в большинстве случаев реакции «поразительно похожи» на то, как синтезируются железо-серные кластеры в современных живых клетках. По мнению Манси, то, что в ранних процессах органического синтеза солнечный свет играет настолько важную роль, вполне логично — это бесконечный источник довольно большого количество энергии. К тому же, на Земле того времени не было столь плотного озонового слоя, а потому излучение было на порядок интенсивнее. Стоит отметить, что и и в микроэлементах не было недостатка: большинство водоемов были напрямую связаны с вулканическими разломами и родниками, которые вымывали из глубины земли железо. Поэтому, по мнению Джека Шостака, молекулярного биолога из Гарвардского университета, который также принимал участие в работе, заполненный водой кратер — это своего рода инкубатор, в котором все условия способствуют зарождению жизни.
Как бы то ни было, Манси очень осторожно относится к результатам своей работы, пускай она и увенчалась успехом. Его опасения можно понять: лабораторные условия, какими бы они не были, все-таки не могут полностью имитировать условия на Земле 4 миллиарда лет назад. «Эти результаты станут важными, если мы сможем доказать, что в системе химический веществ есть какая-то избирательность, которая и привела к превращению неживой природы в живые системы. Но, опасаются ученые, обнаружение точной последовательности событий, которые породило искру жизни, может навсегда потеряться за горизонтом времен.