Как тостер помогает объяснить происхождение жизни на Земле
Несколько лет назал Николас Хад купил на распродаже старый тостер в пожелтевшей фабричной упаковке. Дома он вырезал в задней стенке тостера отверстие, вставил автоматический механизм подачи подноса, позаимствованный из сломаного сканера, добавил впрыскиватель воды и настроил установку так, чтобы та подавала и вынимала поднос с заданной периодичностью.
Сейчас устройство стоит в лаборатории Хада в технологическом институте Джорджии и имитирует смену дня и ночи на древней Земле. Впрыскивается вода — это выпала утреняя роса. Затем температура поднимается до 85 градусов, вода испаряется — проходит день. Затем охлаждение — ночь, и так по кругу.
Когда в 50-е ученые принялись искать ответ на вопрос о происхождении жизни, они исходили из предположения о том, что первые органические молекулы появились в результате случайных реакций между простыми неорганическими веществами.
Для жизни нужно два вида полимеров: белки, из которых состоит все живое, и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), которые хранят и передают генетическую информацию. В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри доказали, что многие простые молекуды, из которых строятся белки и нуклеиновые кислоты, могли получиться в растворе метана, аммиака, водорода и воды при воздействии электрического разряда (например, если бы в лужу с раствором ударила молния). Пропуская разряд через емкость с раствором, Миллер и Юри получили аминокислоты, из которых состоят белки. Позже другие ученые, используя тот же метод, получили азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот.
Винтажный тостер компании General Electric превратился в научный инструмент
Но как эти относительно простые соединения объединились в длинные цепочки полимеров? Возможно, с помощью РНК: в восьмидесятые годы Томас Чех и Сидней Альтман доказали, что РНК способна катализировать реакции полимеризации так же, как это делают белки в современных живых организмах.
Остается вопрос о происхождении первой РНК. Получить ее с ноля из неорганических соединения в условиях, имитирующих Землю 4 миллиарда лет назад, пока не удается. Ближе всего подошли в 2009 году ученые под началом Джон Сазерленда, которым удалось получить из «бульона» нуклеотид (структурный элемент РНК).
Хад считает, что если молекула РНК слишком сложна, чтобы синтезироваться случайно в растворе неорганических веществ, она могла появиться из более простых полимеров. Ученый сравнивает РНК со скрипкой Страдивари: «Это прекрасный инструмент, но никто не начинает со Страдивари. Сначала нужно хотя бы натянуть струну на палку.»
Земля до зарождения жизниВозможно, в начале протерозойской эры, когда появились первые органические полимеры, Земля выглядела примерно так.
Поиск более простых «предков» РНК начался со списка из сотни молекул, которые могут выполнять схожие функции, но которые могли с большей вероятностью получиться случайным образом. На отсеивание неподходящих молекул-кандидатов ушло несколько лет, и наконец в 2013 году ученые сообщили, что остановились на двух мономерах — триаминопирамидине и циануровой кислоте. Эти две молеклы способны самопроизвольно выстраиваться в цепочки полимеров. К тому же триаминопиримидин оказался способен связывать углеводы (а это редкое свойство) с образованием соединения, напоминающего нуклеотид. В присутствии кислоты эти квази-нуклеотиды выстраиваются в длинную цепочку полимера, правда, с очень слабыми связями между мономерами. По крайней мере, эти связи были крайне слабы в водном растворе.
Для Хада это было большим парадоксом. Вода необходима для жизни —, но в то же время для того, чтобы закрепить связи в молекуле первой РНК-подобной молекулы, вода должна была исчезнуть. Синтез первого РНК-подобного полимера мог требовать циклов растворения и выпаривания, решил Хад. Тогда-то ему и пришло в голову купить тостер.
Он построил «машину дня и ночи», в которой циклы испарения и конденсации воды можно было повторять по многу раз в день. Впрыснутая в тостер «роса» растворяет вещества на подносе, и связи, соединяющие квази-нуклеотиды, разрушаются. Но не все. Каждый новый цикл дает увеличение полимерной цепочки, и все это — в результате простого физического процесса.
Некоторые результаты работы Хада уже опубликованы: так, ему удалось получить цепочки аминокислот, напоминающие белки. Сейчас его группа работает над тем, чтобы циклами увлажнения и высыхания заставить прекурсоры РНК выстраиваться в длинные и прочные цепочки. Тогда Хад сможет доказать, что превые молекулы РНК на Земле могли появиться без всяких химических «трюков», за счет смены дня и ночи. И все это — благодаря старенькому тостеру.
