Химики из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) разработали увлекательную новую теорию о том, как могла зародиться жизнь на Земле.
Их эксперименты, описанные сегодня в журнале Nature Communications, демонстрируют, что ключевые химические реакции, поддерживающие сегодняшнюю жизнь, могли происходить с ингредиентами, которые, вероятно, присутствовали на планете четыре миллиарда лет назад.
«Это был черный ящик для нас», - сказал Раманараянан Кришнамурти, доктор философии, доцент кафедры химии в TSRI и старший автор нового исследования. «Но если вы сосредоточитесь на химии, вопросы происхождения жизни станут менее пугающими».
В новом исследовании Кришнамурти и его соавторы, которые все являются членами Национального научного фонда/Национального центра по аэронавтике и исследованию космического пространства для химической эволюции, сосредоточились на серии химических реакций, из которых состоит то, что исследователи называют цикл лимонной кислоты.
Каждый аэробный организм, от фламинго до грибов, использует цикл лимонной кислоты для высвобождения накопленной в клетках энергии. В предыдущих исследованиях исследователи представляли себе раннюю жизнь, использующую те же молекулы для цикла лимонной кислоты, что и сегодня. Проблема с этим подходом, объясняет Кришнамурти, заключается в том, что эти биологические молекулы хрупки, и химические реакции, используемые в цикле, не существовали бы в первый миллиард лет существования Земли - ингредиенты просто еще не существовали.
Руководители нового исследования начали с химических реакций. Они написали рецепт, а затем определили, какие молекулы, присутствующие на ранней Земле, могли работать как ингредиенты.
Новое исследование описывает, как два небиологических цикла, называемые циклом HKG и циклом малоната, могли объединиться, чтобы дать толчок грубой версии цикла лимонной кислоты. В этих двух циклах используются реакции, которые выполняют ту же основную химию a-кетокислот и b-кетокислот, что и в цикле лимонной кислоты. Эти общие реакции включают альдольные присоединения, которые вводят в циклы новые исходные молекулы, а также бета- и окислительное декарбоксилирование, в результате которых молекулы высвобождаются в виде углекислого газа (CO2).
В ходе этих реакций исследователи обнаружили, что они могут производить аминокислоты в дополнение к CO2, которые также являются конечными продуктами цикла лимонной кислоты. Исследователи считают, что по мере того, как биологические молекулы, такие как ферменты, становились доступными, они могли привести к замене небиологических молекул в этих фундаментальных реакциях, чтобы сделать их более сложными и эффективными.
«Химический состав мог остаться прежним с течением времени, изменилась только природа молекул», - говорит Кришнамурти. «Молекулы со временем усложнялись в зависимости от того, что требовалось биологии».
"У современного метаболизма есть предшественник, шаблон, который был небиологическим", - добавляет Грег Спрингстин, доктор философии, первый автор нового исследования и доцент кафедры химии Университета Фурмана.
Делает эти реакции еще более правдоподобными тот факт, что в центре этих реакций находится молекула, называемая глиоксилатом, который, как показывают исследования, мог быть доступен на ранней Земле и сегодня является частью цикла лимонной кислоты (так называемый " Глиоксилатный шунт или цикл").
Кришнамурти говорит, что необходимо провести дополнительные исследования, чтобы увидеть, как эти химические реакции могли стать такими же устойчивыми, как цикл лимонной кислоты сегодня.