С момента открытия около 40 лет назад подводных гидротермальных источников эти естественные химические реакторы были в центре внимания исследователей-эволюционистов, занимающихся поиском происхождения жизни. Вентиляционные отверстия выбрасывают горячую воду, содержащую минералы, в том числе простые, но реактивные химические вещества, такие как газообразный водород (H2) и двуокись углерода (CO2). Подобные условия могли привести к самым первым биохимическим реакциям и, таким образом, к появлению первых свободноживущих клеток.
Отправной точкой такого примитивного метаболизма первых микробов является углекислый газ и газообразный водород. Микробы, живущие за счет этих веществ, сначала превращают два газа в муравьиную кислоту (формиат), ацетат и пируват (соли уксусной кислоты и пировиноградной кислоты). Затем они используют их, чтобы превратить весь свой органический материал в плотную дорожную карту сложных реакций. Химик доктор Мартина Прейнер из Института молекулярной эволюции Университета имени Генриха Гейне в Дюссельдорфе (HHU) и международная группа ученых теперь показывают, что именно эти основные строительные блоки жизни возникают сами по себе в лабораторных условиях, когда H2 и CO 2 оставляют реагировать в присутствии простых минералов в гидротермальных условиях.
В течение последних 20 лет профессор доктор Уильям Мартин, глава Института молекулярной эволюции, каталогизировал множество параллелей между катализируемыми металлами реакциями метаболизма и химическими реакциями в гидротермальных источниках. Профессор Мартин говорит: «Эти реакции, основанные на H2 и CO2, которые отражают происхождение первых биохимических процессов, теперь можно моделировать в лаборатории в Дюссельдорфе, что позволяет нам имитировать самые ранние разработки. фазы жизни.
Вместе с исследователями из Института исследований угля им. Макса Планка в Мюльхайме/Рур, Страсбургского университета и Национального института передовых промышленных наук и технологий в Японии доктор Прейнер смоделировал эти очень простые реакции в лаборатории. Окружающая среда. Им удалось продемонстрировать, что H2 и CO2 организуются в формиат, ацетат и пируват в течение ночи при температуре 100 градусов Цельсия, пока присутствует несколько простых минеральных катализаторов - катализаторов, которые сами по себе являются образуются в гидротермальных источниках. Мартина Прейнер подчеркивает тот факт, что микробный метаболизм не требуется. «Химические реакции удивительно просты. Основные образующиеся продукты - это именно те, которые самые ранние клетки использовали в качестве основы для своего дальнейшего метаболизма».
Доктор. Харун Тюйсюз и его команда из Института Макса Планка в Мюльхайме разработали наноструктурированные твердые катализаторы для экспериментов: «Мы наблюдаем четкую зависимость структуры и активности твердых катализаторов для восстановления CO2 в истоки контекста жизни.
По счастливой случайности две другие рабочие группы также изучали аналогичные процессы. Группа химиков из Страсбурга, работавшая под руководством профессора доктора Джозефа Морана и доктора Камиллы Муховска, использовала металлическое железо вместо H2. Японская группа, работавшая с микробиологом доктором Кенсуке Игараси, изучала реакции H2 и CO2 на железо-сульфидных катализаторах. Все группы наблюдали одни и те же продукты. Профессор Моран говорит: «Метаболизм, по-видимому, развивался удивительно естественным образом».
Происхождение жизни приводит к проблеме «курица или яйцо». В дополнение к простым реакциям CO2-H2 клеткам приходится формировать большое количество более сложных модулей, чтобы расти и функционировать. В современных клетках в качестве катализаторов обычно используются белки, конструкция которых закодирована в генах. Но что появилось раньше, белки или нуклеиновые кислоты? Опубликованное исследование предполагает, что в эволюции им предшествовали реакции, катализируемые металлами и минералами, и что в результате этих реакций возникли как белки, так и нуклеиновые кислоты. Металлы, обнаруженные в современных белках, являются реликтами этих биохимических начал.
Исследование также проливает важный свет на классическую проблему исследования происхождения жизни: какая энергия была доступна самым ранним формам жизни? Прейнер и его коллеги показали, что реакции H2 с CO2 в тех же условиях, что и в гидротермальных жерлах, также высвобождают энергию. При производстве простых соединений, таких как ацетат, создается достаточно энергии, чтобы позволить примитивным микробам питать свой дальнейший метаболизм.
Это означает, что топливом для первоначальных клеток был водород, который образовывался в огромных количествах в подводных средах, когда Земля была молода, и продолжает формироваться сегодня. Мало того, что водород является самой чистой из всех форм энергии - при сгорании образуется просто вода - он также может быть искрой, создавшей саму жизнь. Решающими факторами были правильные условия и правильные катализаторы.
Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом, Фондом Фольксвагена, Немецким исследовательским фондом, Обществом Макса Планка, Японским обществом содействия развитию науки и Министерством образования, культуры, спорта и науки Японии. и технологии.