Астрономам давно известно, что в космосе много разных органических веществ. Однако насколько сложной и, главное, близкой к биологическим молекулам может быть «внеземная органика»?
Авторы новой статьи доказали, что пептиды — то есть полимеры аминокислот, близкие белкам, — можно успешно получить в условиях, которые характерны для холодных скоплений пыли в межзвездном пространстве.
Одна из самых увлекательных и в то же время сложных проблем современного естествознания — это абиогенез, то есть зарождение жизни на основе исходно неживых компонентов. За прошедшее столетие ученые предложили целый ряд гипотез, которые отчасти объясняют абиогенез, но все они имеют недостатки и носят характер чистых предположений.
Первый и, в общем, самый простой шаг на пути к абиогенезу — это появление молекул в основе живой клетки: ДНК, РНК и белков. Эксперименты, которые показали принципиальную возможность «самосборки» аминокислот — структурных единиц белков, — провели еще С. Миллер и Г. Юри в далеком 1953 году. Впрочем, сейчас понятно, что они использовали условия, которых не могло быть на древней Земле. К тому же эксперимент не объясняет образование более крупных полимеров из аминокислот — белков и похожих молекул поменьше, пептидов.
Авторы новой статьи в Science Advances предположили, что пептиды, то есть короткие цепочки из аминокислот, могут самопроизвольно возникать в условиях глубокого космоса — в межзвездном пространстве. Речь о пропускающих свет скоплениях пыли, в которых царит космический мороз (около минус 260 градусов Цельсия), существуют стабильные молекулы и в том числе вода в виде льда. Из этого материала формируются кометы и астероиды, среди которых первые содержат менее изменившиеся и близкие к своему исходному состоянию вещества.
Известно, что кометы и прочие космические тела регулярно сталкиваются с Землей и другими объектами Солнечной системы. Такие «коллизии» были особенно часты во времена поздней тяжелой бомбардировки 4,1—3,8 миллиарда лет назад. Не исключено, что именно в те времена падающие метеориты «удобрили» Землю разнообразной органикой, в том числе такими соединениями, которые не могли образоваться на самой планете. Согласно современным представлениям, вскоре после того на Земле появились первые живые клетки.
Пептиды и белки вызвали особый интерес авторов, поскольку без них сложно представить самые базовые функции клетки — ускорение химических реакций и копирование ее структур. Современные живые существа синтезируют такие молекулы внутри своих клеток, в особых органеллах — рибосомах, — которые используют РНК в качестве матрицы. Однако ничего из этого не могло быть на Земле исходно.
Парадокс можно разрешить, допустив, что первые пептиды с каталитическими свойствами прибыли из космоса в готовом виде. Поэтому ученые воспроизвели условия, соответствующие облакам газа в межзвездном пространстве, и провели в них химические реакции с участием атомарного углерода-13, угарного газа и аммиака. Реакцию начали при температуре около минус 263 градусов Цельсия и повышали вплоть до 27 градусов. Чтобы не перепутать продукты реакции с обычной органикой, использовали меченый углерод с атомной массой 13.
В результаты экспериментаторы получили целый ряд пептидов, состоящих из самой простой аминокислоты, — глицина. Не все они приобрели стандартные для биологических молекул карбоксильный и амино-концы, подавляющее большинство имели по краям сразу две аминогруппы.
Одновременное использование нескольких аналитических методик позволило точно понять механизм реакции. В ее основе, как и ожидалось, — образование и полимеризация аминокетенов (NH2CHCO).
Примечательно, что в случае если реакцию проводили в присутствие воды (на поверхности льда), то формирование пептидов замедлялось. Вода также повлияла на состав продуктов: пептидные цепи стали короче и чаще имели «нормальные» концы — по одному амино- и карбоксильному на каждую.
Авторы подчеркивают особую роль аммиака в качестве катализатора полимеризации аминокетенов. Выходит, для формирования «внеземных» пептидов он гораздо важнее, чем вода — необходимая среда всех биохимических реакций на Земле.
Автор: Михаил Орлов