Молекулы рибонуклеиновой кислоты, возможно ответственные за появление первой жизни на Земле, могли впервые образоваться в мелких теплых водоемах на поверхности планеты.
Международный коллектив ученых из Канады и Германии смоделировал процессы, которые могли происходить в таких водоемах, и сделал вывод, что азотистые основания в таком случае должны были попасть на Землю при столкновении с метеоритами. Работа опубликована в PNAS.
Одной из гипотез происхождения жизни на Земле является модель мира РНК, согласно которой одной из первых стадий возникновения жизни на Земле был этап, когда генетическая информация кодировалась в форме рибонуклеиновых кислот. Однако правдоподобных механизмов образования первых молекул РНК пока предложено не было. Неизвестны ни источники азотистых оснований на Земле, на которой, вероятнее всего, в это время была нейтральная, а не восстановительная атмосфера, ни точные пути образования нуклеотидов и полимеризации из них рибонуклеиновых кислот.
Сейчас существует две основных гипотезы, где формировались РНК: это могло происходить в гидротермальных источниках в океанах или в теплых мелких водоемах на поверхности Земли. Вторая гипотеза считается более вероятной из-за того, что внутри океана нет необходимой для полимеризации циклической смены сухих и влажных сезонов.
В своей новой работе международный коллектив ученых из Канады и Германии детально изучил возможное образование молекул РНК в мелких поверхностных водоемах для наиболее вероятных диапазонов условий на Земле в катархейский период (примерно от 4,5 до 4 миллиарда лет назад). Точная температура, которая была на планете в это время, неизвестна, поэтому в своей работе ученые рассматривают два возможных варианта: около 20 градусов Цельсия (модель «теплой» Протоземли) и около 65 градусов (модель «горячей» Протоземли). При этом из-за отсутствия озонового слоя был достаточно высокий уровень ультрафиолетового излучения. В качестве возможных источников азотистых оснований ученые рассматривали межпланетную пыль и метеориты, в образцах породы которых уже удавалось найти следы аденина, урацила и гуанина.
Учитывая все эти условия, ученые смоделировали процесс изменения условий в водоемах в течение года в результате осадков и процессов испарения и инфильтрации жидкости вглубь породы. В зависимости от температурного режима и уровня осадков, могло образоваться несколько стационарных режимов колебаний температуры и уровня воды в водоемах, но для всех из них были выражены сезонные колебания. Такие колебания приводили к тому, что в зависимости от сезона для азотистого основания преобладала или реакция гидролиза, или реакция фотодиссоциации.
Оказалось, что сезонные колебания действительно могут привести сначала к образованию нуклеотидов, а потом и их полимеризации в молекулы РНК. При этом изначальным источником азотистых оснований должны быть именно метеориты, количество которых в эпоху поздней тяжелой бомбардировки было достаточным для доставки на Землю необходимого количества азотистых оснований.
Наиболее благоприятными условиями для образования молекул РНК являются температуры от 50 до 80 градусов Целься, что подтверждает модель «горячей» Протоземли. При таких температурах весь процесс образования РНК занимает всего несколько лет: сначала азотистые основания, попавшие на Землю с метеоритами, реагируют с рибозой и источником фосфора с образованием нуклеотидов. Согласно модели, этот процесс занимает 2 или 3 года. После этого за 1—2 сезонных цикла происходит полимеризация нуклеотидов. Такая высокая скорость не дает образовавшейся системе откатиться назад и разрушить все образовавшиеся РНК, например, в результате еще одного столкновения с метеоритом.
Несмотря на внешнюю стройность предложенной модели, у нее существуют и очевидные недостатки. Так по словам Джона Сазерленда, предложившего в 2009 году новый путь абиотического синтеза рибонуклеотидов на Земле, у этого механизма есть, как минимум, две проблемы. Во-первых, очень высока вероятность разложения азотистых оснований при столкновении метеорита с Землей, потому что температура при этом достигает 2300 градусов по Цельсию. Во-вторых, земных условий может оказаться недостаточно для прямого образования рибонуклеотидов из азотистых оснований и рибозы, и сейчас считается, что это происходило по другим механизмам.
Если предложенная гипотеза все же верна, то исходя из количества упавших на Землю метеоритов, мир РНК мог появиться на Земле спустя уже 200 миллионов лет после того, как условия на ней стали пригодны для жизни. С другой стороны, в недавней работе группа ученых из Чехии высказала гипотезу, что состав атмосферы на Протоземле в какой-то момент был восстановительным и содержал большое количество угарного газа, аммиака и метана. А из такой атмосферы азотистые основания могли образоваться и непосредственно на Земле.
Автор: Александр Дубов