Земля колись була абсолютно мертвою. Жодної клітини, жодного подиху, жодної думки лише розпечена лава, отруйні гази та блискавки, що розтинали небо.
І раптом, десь у цьому космічному пеклі, нежива хімія навчилася ділитися, рости та запам’ятовувати інформацію. Як саме це одна з найстаріших загадок науки. Тепер дослідник із Шеньчженьського університету пропонує відповідь, яка змінює правила гри: ключ до життя ховався в крихітних мінеральних частинках, які сама планета виробляла мільярдами років.
Мертва планета
Протягом останнього століття вчені будували десятки моделей походження життя. Світ заліза та сірки, цинковий світ, РНК-світ, ліпідний світ кожна з них пояснює окремий фрагмент пазла, але жодна не зшиває всі шматки воєдино. Хтось каже: спочатку був метаболізм. Хтось що молекула, здатна копіювати себе. Але як перейти від мертвої речовини до живої системи залишалося білим плямом.
Проблема в тому, що події, які відбулися чотири мільярди років тому, неможливо спостерігати напряму. Можна лише реконструювати за косвеними слідами. І кожна попередня гіпотеза спиралася або на вузькі експериментальні дані, або на теоретичні припущення, які важко перевірити. Жодна теорія не змогла об’єднати всі аспекти процесу в єдиний переконливий сценарій.
Навіть знаменитий РНК-світ, який бачить у молекулах, здатних копіювати себе, прародичку всього живого, не пояснює, як ці молекули взяли енергію для роботи та як захистилися від радіації безбрежного неба. Тут і з’являється прогалина, яку має заповнити нова робота.
Невидимі двигуни
Yongdong Jin, професор Школи біомедичної інженерії Шеньчженьського університету, опублікував у журналі Research огляд, який пропонує єдину рамку для розуміння цього переходу. Його «гіпотеза нанозимів» стверджує, що примітивні природні мінеральні наночастинки з ферментною активністю MN-зими разом із пізнішими гібридними органічними молекулами стали тими самими «невидимими двигунами», які перетворили доісторичні гази на перші біологічні молекули.
Ці частинки працювали як природні каталізатори та обробники енергії. Під дією світла, тепла та електрики вони поступово перетворювали прості гази на все складніші сполуки через процес, який автор називає «неорганічний фотосинтез». З часом ця хімія навчилася зберігати інформацію в молекулах, які можна було прочитати, переписати та скопіювати саме те, що вважається обов’язковою умовою для виникнення живих систем.
Земля, за цією версією, була гігантською природною лабораторією, що працювала без перерви мільярди років. Природні градієнти тиску та температури від мантії до кори, особливо біля активних вулканів і геотермальних джерел створювали ідеальні умови для реакцій лави та гідротермальних процесів. Саме там, у розпечених розчинах багатих на метали, і могли виникнути перші металеві, оксидні та сульфідні наночастинки, здатні каталізувати дивовижні перетворення.
Сучасні хіміки синтезують штучні нанозими, щоб лікувати хвороби або очищувати воду. Вони створюють металеві оксиди та сульфіди в реакторах з високим тиском і температурою. Джін звертає увагу на парадокс: люди винайшли технологію, яку планета використовувала ще до появи першої бактерії.
Гіпотеза приписує мінеральним нанозимам одразу кілька критичних функцій. Без жодної з них ланцюг, ймовірно, розривався б:
- Каталіз прискорення хімічних реакцій без власного змінення;
- Поверхневе зв’язування утримання молекул у просторовій близькості, де вони можуть взаємодіяти;
- Захист від УФ-випромінювання екранування молодих молекул від руйнівної радіації молодого Сонця;
- Фотоселекція відбір сполук, які найкраще взаємодіють зі світлом;
- Управління енергопотоком перетворення енергії світла, тепла та блискавок на хімічні зв’язки.
Разом ці властивості перетворювали мертвий космічий пил на самоорганізовану хімію. Проте найдивовижніше починається тоді, коли мова заходить про одну конкретну речовину.
Золотий світ
Серед усіх мінеральних наночастинок автор виділяє особливу роль для моношарових золотих наночастинок AuNPs. Він навіть вводить термін «світ Au» (Au world), стверджуючи, що ці частинки могли займати центральне місце в еволюційній історії ранніх нанозимів.
Сьогодні золоті наночастинки вважаються штучними матеріалами лабораторного синтезу. Однак Джін вказує на їхню геологічну правдоподібність у різних природних умовах ранньої Землі. Спочатку вони були нестабільними у первинному бульйоні, бо потребували органічного покриття.
Але як тільки інші MN-зими виробили достатньо тіолів та амінів, золоті частинки могли стабілізуватися в моношаровому захисному шарі та вписатися в загальну мережу реакцій, що ведуть до життя.
Це звучить фантастично. Але сучасні дослідження показують, що природа виробляє такі нанозими легше, ніж вважалося раніше. Вони можуть утворюватися спонтанно при вивітрюванні мінералів у заряджених водних мікрокраплях або під дією ультрафіолету. Сонячне світло та блискавки надавали фотокаталітичні та електрокаталітичні умови для масового виробництва первинних нанозимів і багатого набору пребіотичних молекул.
Щороку через екосистеми Землі циркулюють тисячі тераграмів мінеральних наночастинок.
Один тераграм це 1012 грамів. Вони є в океанах, атмосфері, ґрунтах і досі відіграють важливу роль у біогеохімічних циклах. Можливо, деякі з них прямі нащадки тих самих «двигунів», які запустили життя.
Чотири правила гри
Щоб пояснити, які саме умови дозволили молекулам вижити та еволюціонувати, автор виділяє чотири ключові елементи:
- Вологе-сухе циклювання та амфіфільність чергування води та сухості створювало середовище для збирання та розпаду складних сполук;
- Самозбирання та самоорганізація здатність молекул утворювати структури без зовнішнього контролю;
- Каталітична та протоферментна активність прискорення реакцій і початок біохімії;
- Парне симбіоз та стабілізація взаємна підтримка молекул, що збільшує шанси на виживання.
Ці чотири стовпи, на думку дослідника, стали фундаментом, на якому будувалося все подальше життя. Без вологе-сухого циклювання молекули розмивалися б. Без самозбирання не виникло б клітинних мембран. Без каталізу реакції йшли б занадто повільно. А без симбіозу хімія не змогла б накопичувати складність.
Що далі
Гіпотеза нанозимів не претендує на те, щоб викреслити всі попередні теорії. Навпаки вона пропонує ширшу рамку, у якій змагальні моделі, від РНК-світу до метаболізму-першого, можуть нарешті знайти спільний ґрунт. Джін також розглядає «парадокс води», роль мікро- та наноструктур поверхні Землі та унікальні фізико-хімічні властивості води в умовах вологе-сухого циклювання. Окремо він аналізує молекулярну кооперацію та коеволюцію на найраніших етапах, а також фізичні перспективи походження хіральності біомолекул тієї загадкової властивості, завдяки якій білки та ДНК мають свою «руку» і яка досі не має остаточного пояснення.
Окремо вчений розглядає так званий «парадокс води»: молекула H₂O необхідна для життя, але водне середовище також руйнує складні пребіотичні сполуки. Вологе-сухе циклювання, за його версією, могло бути природним компромісом чергуванням захисту та синтезу.
Наступний крок експериментальна перевірка. Якщо вчені зможуть відтворити в лабораторії ланцюг реакцій від простих газів до самовідтворюваних молекул за участі природних мінеральних нанозимів, загадка походження життя стане на крок ближчою до розв’язання.
А поки що ми знаємо одне: найскладніша технологія у Всесвіті могла народитися не від випадку, а від крихітних кам’яних помічників, яким знадобилося кілька мільярдів років, щоб перетворити мертву планету на наш дім.
Про автора
