Жизнь – это сложный процесс. То, что верно для нашего повседневного существования, верно и для многих сложных процессов, происходящих внутри клеток. В клетках непрерывно синтезируются белки, строятся клеточные стенки, а ДНК реплицируется. Это возможно лишь в случае, если реагенты встречаются в нужное время и в достаточно высоких концентрациях, избегая разрушения со стороны других веществ. Механизмы, ответственные за эти жизненно важные процессы, были усовершенствованы эволюцией в течение миллиардов лет, обеспечивая их высокую эффективность и точность.
Четыре миллиарда лет назад обстоятельства, вероятно, были гораздо более хаотичными, когда пребиотические реакции создали условия для возникновения первых форм жизни. Для этих реакций требовалось, чтобы "правильные" вещества собрались вместе в "нужное" время в одном месте, чтобы образовались более сложные биомолекулы, такие как РНК и аминокислотные цепи.
Хотя эти реакции можно воссоздать в лаборатории через промежуточные шаги, выполненные вручную, их трудно реализовать в "первобытном супе" — в очень разбавленной смеси пребиотических строительных блоков. Как же природа смогла создать подходящие условия для зарождения жизни?
Исследователи биофизики, включая доктора Кристофа Маста и профессора Дитера Брауна из LMU, совместно с геонауками, такими как профессор Беттина Шой, нашли возможный ответ на этот вопрос и опубликовали свои результаты в журнале Nature. "Наши исследования показывают, как простые тепловые потоки могли создать порядок среди химического хаоса первобытных времен и способствовать возникновению первых пребиотических реакций," — объясняет Маст.
Тепло, выделяемое в результате геологических и химических процессов, приводило к образованию тепловых потоков практически повсюду в те далекие времена. Если этот тепловой поток проходил через трещины, наполненные водой, возникающие, например, при быстром охлаждении расплавленной породы, это приводило к конвекции воды и направленному движению растворенных веществ вдоль теплового потока. Вместе эти два эффекта — конвекция и термофорез — приводили к накоплению и концентрации различных растворенных веществ в разных местах.
Группа Маста экспериментально продемонстрировала такое избирательное накопление более чем 60 различных пребиотических строительных блоков, таких как нуклеиновые основания и аминокислоты. Они обнаружили, что эти вещества могут сильно различаться по термофорезу и, следовательно, различно обогащаться в трещинах породы. "В системе взаимосвязанных трещин и трещин в породе этот эффект усиливается и приводит к образованию смесей с разным составом пребиотических веществ в каждой трещине," — объясняет Томас Матрё, ведущий автор статьи. "Хотя первоначальный раствор был равномерно разбавлен и, следовательно, нереактивен, простые тепловые потоки могут таким образом создать удивительное разнообразие возможных стартовых условий для пребиотической химии," — добавляет Паула Айккила, другой ведущий автор исследования.
Без помощи современных лабораторных технологий или передовых механизмов реакции современной жизни природа могла бы создать "молекулярную кухню" в крупных геологических сетевых системах, где все ингредиенты жизни были бы отсортированы и готовы. В рамках Совместного исследовательского центра "Молекулярная эволюция в пребиотических средах" (CRC 392) исследователи теперь планируют выяснить, сколько "блюд" жизни можно "приготовить" в этой системе.
