Исследователи Университета Висконсин-Мэдисон культивировали химические реакции, похожие на живые, и разрабатывали новую стратегию изучения происхождения жизни.
Работа далека от начала жизни в лаборатории. Тем не менее, это показывает, что простые лабораторные методы могут стимулировать реакции, которые, вероятно, необходимы для объяснения того, как жизнь зародилась на Земле около четырех миллиардов лет назад.
Исследователи подвергли богатый суп органических химикатов многократному отбору, постоянно сокращая химическую популяцию и позволяя ей снова накапливаться с добавлением новых ресурсов. В течение многих поколений отбора система, по-видимому, потребляла свое сырье, что свидетельствует о том, что отбор мог вызвать распространение химических сетей, способных к саморазмножению.
В более длительных временных масштабах эти химические изменения колебались по повторяющейся схеме. Этот цикл взлетов и падений еще не полностью объяснен, но это хорошее доказательство того, что химические бульоны установили петли обратной связи, напоминающие те, которые обнаруживаются в живых организмах. Дэвид Баум, профессор ботаники из Университета Вашингтона в Мэдисоне, и его команда опубликовали свои выводы 23 октября 2019 года в журнале Life. Работа финансировалась Национальным научным фондом и НАСА.
Теперь другие исследователи могут использовать этот экспериментальный подход и помочь разобраться, какие компоненты необходимы для создания реалистичных химических систем и могут ли эти химические сети развить более сложные черты.
Если эта система сможет создать более сложную систему, она может помочь решить загадку того, как простые химические вещества в конечном итоге породили нечто столь же сложное, как клеточный предок, который породил всю жизнь сегодня.
"Основной вопрос в происхождении жизни: как вы можете получить эволюцию до того, как генетическая информация, подобная той, что содержится в ДНК или РНК?" говорит Баум. «Теперь мы поняли, что эволюция химических сетей может решить эту проблему, и мы можем заняться этим в лаборатории».
Чтобы проверить идею эволюции химической экосистемы, исследователи собрали богатый набор химических веществ. В морской воде они растворяли аминокислоты, сахара, обычные органические соединения, микроэлементы и строительные блоки нуклеиновых кислот. Чтобы дать системе еще больше преимуществ, ученые добавили в богатую морскую воду АТФ, высокоэнергетическую молекулу, которая управляет почти всеми реакциями жизни сегодня, но вряд ли существовала в первобытные времена..
«Не все эти химические вещества могли быть доступны на ранней Земле, но мы пытаемся ускорить процесс, который теоретически может начаться с еще более простых строительных блоков», - говорит Баум, который также является научным сотрудником. в Висконсинском институте открытий.
Команда смешала свой первичный суп с мелкими зернами пирита, минерала железа и серы, также известного как золото дураков. Основываясь на предложении немецкого химика Гюнтера Вехтерсхойзера 1988 года о химической эволюции, команда Баума считает, что пирит - идеальный материал для создания живой химии.
«Пирит был распространенным минералом на древней Земле, он может связываться со многими органическими соединениями и может катализировать реакции между ними», - говорит Лена Винсент, аспирант лаборатории Баума и ведущий автор исследования. исследование. «И, очень элегантно, многие высококонсервативные ферменты на протяжении всей жизни имеют ядра, очень похожие на пирит. По сути, это пирит, обернутый белком».
Исследователи добавили несколько капель обогащенного супа из морской воды в небольшое количество измельченного пирита во флаконе и перемешивали раствор в течение нескольких дней. Это было первое поколение. Чтобы начать следующее поколение, Винсент взял небольшое количество первого раствора и смешал его во флаконе со свежим супом и пиритом. На протяжении дюжины или более поколений выживали и распространялись только те химические сети, которые могли распространяться быстрее, чем они разбавлялись.
После 12 или 18 поколений исследователи увидели снижение количества доступного фосфата - показатель использования АТФ - и растворенного органического материала, что позволяет предположить, что химические соединения могут прилипать к зернам пирита и распространяться по ним.
Когда они изучили пирит под сверхвысоким увеличением, исследователи увидели обилие фрактальных форм, распространяющихся по поверхности минерала в экспериментальных образцах, но не в контрольных образцах, у которых не было истории отбора.
Хотя эти фрактальные формы кажутся солями и вряд ли сами по себе похожи на живые, исследователи подозревают, что они могут быть вызваны тонким мазком органических соединений, связанных с зернами. Фракталы никогда не появлялись, если в растворе не было органического вещества.
«Ученые долгое время искали примеры реакций, которые спонтанно усложняют и организуют органические химические вещества», - говорит Джим Кливз, соавтор работы из Института наук о Земле и жизни (ELSI) в Токийский технологический институт в Японии.«Основываясь на этой работе и других экспериментах, которые мы проводили в ЭЛСИ, кажется возможным, что такие реакции могут быть вовсе не невероятно редкими, это может быть просто вопрос использования правильных инструментов для их обнаружения».
Когда исследователи провели эксперимент на 40 поколениях, они наблюдали периоды постепенных изменений, перемежающихся внезапными изменениями исходных условий. Хотя причина этих сбоев остается неизвестной, такая нелинейная петля обратной связи встречается на протяжении всей жизни и свидетельствует о том, что экспериментальная система вызывала сложное поведение в химическом бульоне.
«Эта нелинейность является предпосылкой для всех интересных реалистичных моделей поведения, которые мы ищем, включая саморазмножение и эволюцию», - говорит Винсент. Осторожно взволнованные своим предварительным успехом, Баум и его команда теперь стремятся нанять других, чтобы помочь им усовершенствовать свою систему.
«Мы хотели разработать систему, которую мы могли бы исследовать дальше, чтобы ответить на вопросы об эволюционируемости. И мы надеемся, что другие лаборатории будут использовать этот протокол и улучшать его», - говорит Баум. «Это именно то, чего мы хотели».