В давнем споре о месте возникновения жизни появился новый претендент.
Большинство основных условий, необходимых для репликации РНК – ключевого этапа в зарождении жизни – вероятно, существовали в порах вулканических пород на островах вскоре после образования Земли. Это открытие предлагает возможное объяснение одного из самых загадочных аспектов появления жизни и может сместить фокус исследований на реконструкцию остальной части процесса.
В течение многих лет ученые, пытающиеся определить, где зародилась жизнь, обсуждали две основные модели. Первая, восходящая к Дарвину, предлагает «теплый маленький пруд» с аминокислотами, вероятно, доставленными метеоритами. Альтернативная модель отдает предпочтение гидротермальным источникам на морском дне, где в изобилии присутствуют энергия и питательные вещества. Эти дебаты важны для определения направления поиска жизни на других планетах. Европа и другие спутники с внутренними океанами вполне могут иметь гидротермальные системы, подобные земным, но лишены концентрирующих водоемов. Марс, с другой стороны, вероятно, когда-то имел небольшие водоемы на поверхности, но, возможно, не был так богат вулканами.
Однако, аспирант Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана Филипп Швинтек выдвинул нового кандидата: пористые породы на вулканических островах. Вместо стандартного рецензирования работа Швинтека и его соавторов прошла спорную процедуру «рецензируемого препринта», опробуемую журналом eLife, которая подверглась критике при использовании для других громких работ.
Считается, что в любом месте репликация РНК предшествовала всему, что мы считаем жизнью. Это требует, чтобы нити РНК становились двухцепочечными, прежде чем разделиться. Хотя есть много других вопросов о том, как это могло произойти из неживой системы, одним из этапов, на котором сосредоточились биохимики, является разделение нитей, которое может легко происходить при определенных условиях, но не при тех, которые необходимы для всего остального. В частности, для репликации РНК требуется много солей магния и нуклеиновых кислот, но это препятствует разделению нитей.
Перепады температур были предпочтительным методом для достижения цикличности между условиями, при которых может происходить разделение и репликация, но тепло разрушает нуклеиновые кислоты. Температурное окно для этого процесса выглядит тревожно узким, особенно если учесть, что температура должна была либо циклически меняться довольно быстро, либо теплые и холодные зоны должны были располагаться рядом друг с другом.
Швинтек и его коллеги искали цикл, который не требовал бы больших колебаний температуры. «Мы исследовали простой и повсеместный геологический сценарий, в котором движение воды через пору в породе высушивалось газом, просачивающимся через породу и достигающим поверхности», – сказал он в своем заявлении. «Такая обстановка была бы очень распространенной на вулканических островах на ранней Земле, которые обеспечивали необходимые сухие условия для синтеза РНК».
Команда создала модель поры в вулканической породе, частично заполненной водой. Вода испарялась в точке соприкосновения с газом, который, в свою очередь, частично растворялся в воде, создавая в ней течения.
В воду были добавлены крошечные шарики для отслеживания ее движения, а также использованы короткие фрагменты ДНК, которые светятся для удобства наблюдения.
«Мы ожидали, что непрерывное испарение приведет к накоплению нитей ДНК на границе раздела», – сказал Швинтек. «Действительно, мы обнаружили, что вода непрерывно испарялась на границе раздела, но нуклеиновые кислоты в водной фазе накапливались вблизи границы раздела газ/вода». В течение часа концентрация ДНК на границе с газом была в 30 раз выше, чем в остальной части системы.
Это говорит о том, что даже на планете, где нуклеиновые кислоты были в дефиците, они могли концентрироваться вблизи границ раздела газ/вода в достаточной степени для репликации. Нити не могли разделиться в этой среде, но не только тепло могло это изменить – потеря соли могла сделать то же самое.
«Мы предположили, что круговой поток жидкости на границе раздела, создаваемый потоком газа, наряду с пассивной диффузией, будет способствовать разделению нитей, проталкивая нуклеиновые кислоты через области с различной концентрацией соли», – сказал старший автор исследования, профессор Дитер Браун.
Спектроскопия FRET показывает, связаны ли нити ДНК или разделены, и команда подтвердила свои прогнозы: нити связывались вблизи границы раздела газ/вода в неподвижных условиях, но разделялись, когда вода текла вверх. Концентрация соли снижалась в три раза под воздействием небольших вихрей на поверхности, что было достаточно для разделения.
Как бы ни были обнадеживающи эти наблюдения, только небольшая область вблизи места встречи газа и воды имела подходящую концентрацию нуклеиновых кислот, что вызвало вопросы о том, было ли этого достаточно для запуска процесса. Команда сделала следующий шаг, прикрепив флуоресцентный краситель к своим нуклеиновым кислотам и добавив ферменты, которые синтезируют двухцепочечную ДНК, чтобы запустить процесс.
В течение двух часов, сообщают Швинтек и соавторы, свечение стало ярче, что указывает на репликацию, но это прекратилось, когда обмен газа и воды был остановлен.
«В этой работе мы исследовали правдоподобную и распространенную геологическую среду, которая могла бы спровоцировать репликацию ранней жизни», – заключил Браун. «Мы рассмотрели обстановку, в которой газ течет над открытой порой в породе, заполненной водой, без каких-либо изменений температуры, и обнаружили, что комбинированный поток газа и воды может вызывать колебания солености, которые поддерживают репликацию ДНК».
Конечно, это не доказывает, что жизнь зародилась именно в таких условиях; для этого может понадобиться машина времени. Более того, мы знаем, что модель неточно воспроизводила условия, в которых развивалась жизнь. Команда использовала обычный воздух в качестве газа, включая кислород, которого в то время не было. Фермент, который команда использовала для запуска двухцепочечной ДНК, является продуктом живых организмов и не существовал на ранней Земле, чтобы помочь первой РНК.
Тем не менее, если эти результаты выдержат более тщательную оценку со стороны других ученых, то необходимо будет рассматривать пористые породы на вулканических островах как колыбель зарождения жизни наряду с предыдущими фаворитами.
Препринт находится в открытом доступе на eLife.
Читайте также: Прорыв в синтезе проливает свет на загадку происхождения жизни
