Существует дюжина теорий происхождения жизни на Земле разной степени убедительности. Испанский профессор доказал возможность самоорганизации примитивных органических молекул под воздействием светодиодных лампочек — пишет « Hi-Tech_Mail.ru ».
Автор Hi-Tech Mail
Команда ученых из Гарварда приблизила нас к ответу на основной вопрос биологии — как зародилась жизнь на Земле, синтезировав подобные клеткам химические системы, которые имитируют метаболизм, размножение и эволюцию. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Как считает автор исследования Хуан Перес-Меркадер (Juan Pérez-Mercader), старший научный сотрудник отдела наук о Земле и планетах и участник проекта «Происхождение жизни», это первый случай, когда кому-либо удалось создать структуру, обладающую свойствами жизни, из однородной субстанции, лишенной какого-либо сходства с естественной жизнью. Исследователь добавил, что очень впечатлен достижением своей команды.
По словам профессора астрономии Димитра Сасселова, директора проекта «Происхождение жизни», работа демонстрирует, как самовоссоздающаяся система может быть сконструирована из простых молекул.
Самыми ранними известными свидетельствами существования жизни являются крошечные окаменелости прокариотических микроорганизмов возрастом около 3,8 миллиардов лет. Но их открытие вряд ли разрешило загадку о том, как и когда зародилась жизнь. Какие простые биологические молекулы дали начало клеткам? Было ли это единое происхождение или множественные события? Зародилась ли жизнь на Земле или на другой планете?
Эти вопросы веками ставили биологов в тупик. Чарльз Дарвин предположил, что жизнь зародилась в «маленьком теплом пруду», а затем каким-то образом приняла различные формы.
В 1950-х годах Стэнли Миллер и нобелевский лауреат Гарольд Юри провели эксперименты в Чикагском университете, в ходе которых они смоделировали условия первобытной Земли — атмосферу из метана, аммиака, водорода и воды с электрическими разрядами молний — и получили аминокислоты, органические молекулы, которые образуют строительные блоки белков.
Вот в эту дискуссию великих и вмешался Перес-Меркадер, энергичный ученый, который называет себя «77-летним ребенком». По образованию физик-теоретик, он в начале своей карьеры занимался исследованиями теорий великого объединения, суперсимметрии, супергравитации и суперструн.
В 1990-х годах Перес-Меркадер в сотрудничестве с NASA основал Центр астробиологии в Мадриде, а также курировал участие Испании в марсианском проекте NASA. В 2010 году он приехал в Гарвард с еще одним грандиозным проектом. «Я пытаюсь понять, почему здесь существует жизнь», — повторял он.
Все формы жизни имеют несколько общих черт: они обрабатывают химическую информацию, усваивают ту или иную форму энергии (например, потребляют пищу или осуществляют фотосинтез) для поддержания жизнедеятельности и создания частей тела, размножения и эволюции в ответ на изменения окружающей среды.
Перес-Меркадер разработал математические уравнения для основных разделов физики, химии и биологии и использовал их в качестве руководства для синтеза искусственной жизни in vitro.
В течение многих лет эти усилия оставались теоретическими исследованиями без экспериментальной демонстрации. Затем произошел лабораторный прорыв с появлением «самосборки» на основе полимеризации — процесса, при котором неупорядоченные наночастицы группируются в структурированные объекты. Размеры этих объектов не превышают миллионных долей метра, но это именно сложные организованные объекты, а не разрозненные молекулы.
В новом исследовании команда продемонстрировала, как жизнь может зародиться из материалов, подобных тем, которые доступны в межзвездной среде — облаков газов и твердых частиц, оставшихся в результате эволюции звезд в галактике, а также энергии излучения звезд. Лабораторной версией «маленького теплого пруда» Дарвина служила пробирка.
Команда ученых смешала четыре простых органических вещества, не имеющих отношения к биохимии, с водой в стеклянных сосудах, окруженных зелеными светодиодными лампами. Внешне это было похоже на праздничные гирлянды. Когда включался свет, смесь вступала в реакцию и образовывала так называемые амфифилы, или молекулы с гидрофобными (не переносящими воду) и гидрофильными (любящими воду) частями.
За счет сил поверхностного натяжения молекулы самоорганизовались в шарообразные структуры, называемые мицеллами. Эти структуры удерживали жидкость внутри, где она приобретала другой химический состав и превращалась в похожие на клетки «пузырьки», или наполненные жидкостью мешочки.
В конце концов, пузырьки выбрасывали больше амфифилов, похожих на споры, или просто лопались, и свободные компоненты образовывали новые поколения структур, еще более похожих на клетки. Число выделяющихся «спор» росло, причем они понемногу стали отличаться друг от друга. Некоторые из них с большей вероятностью выживали и размножались — таким образом, моделируя то, что исследователи назвали «механизмом свободной наследственной изменчивости» — основой дарвиновской теории эволюции.
Стивен Флетчер, профессор химии Оксфордского университета, который лично не принимал участия в новом исследовании, но проводил аналогичные эксперименты, сказал, что публикация PNAS открывает новый путь для создания синтетических самовоспроизводящихся систем. В прошлых экспериментах такие результаты достигались с помощью более сложных методов и с гораздо меньшей доказательной эффективностью.
Флетчер отмечает, что поведение, похожее на поведение живых существ, может наблюдаться у простых органических веществ, которые не имеют отношения к биологии, более или менее спонтанно, лишь при воздействии видимого света.
Перес-Меркадер описывает этот эксперимент более эмоционально. Он уверен, что нашел модель зарождения жизни около 4 миллиардов лет назад. По его расчетам, такая система могла развиться химическим путем и дать начало «последнему универсальному общему предку» (the last universal common ancestor или сокращенно LUCA) — изначальной форме, породившей всю последующую жизнь.
О современном родственнике Луки из минеральной воды «Ессентуки» читайте в материале Hi-Tech Mail.
