Липкая колыбель эволюции: минеральные гели удерживали первые цепочки и запускали протожизнь

Живые системы, появившиеся на ранней Земле, могли возникнуть не в океанах, а в липких минеральных гелях, удерживавших простейшие химические цепочки. Эти вязкие слои создавали уникальные локальные условия, где молекулы взаимодействовали плотнее и чаще, чем в открытой воде. Такой подход меняет привычный взгляд на истоки биологии, позволяя иначе оценить роль почвы, камней и минералов в древних процессах. Об этом сообщает журнал ChemSystemsChem.

Фото: Designed by Freepik by freepik, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Представление цепи ДНК человека

Гели как альтернативная среда зарождения жизни

Исследователи из Университета Хиросимы представили новую модель возникновения протожизни, в которой основу играли гелеобразные покрытия на поверхности минералов. Вместо того чтобы рассматривать отдельные молекулы РНК или белков, они предложили рассмотреть саму среду — структуру, способную ограничивать пространство и направлять реакции. Гели удерживали компоненты будущего метаболизма рядом, не давая им случайно расходиться в окружающей среде. Это позволило малым органическим молекулам аккумулироваться и вступать в более сложные последовательные взаимодействия, формируя примитивные химические сети. Совокупность этих процессов могла стать отправной точкой для появления первых стабильных наборов реакций, напоминающих будущие метаболические пути.

Также рассматривается важная роль температурных колебаний, влажности и времени высыхания поверхности. Лабораторные данные показывают, что такие факторы способны значительно ускорять образование длинных цепочек РНК и белков. По мнению авторов, подобные циклы создавали динамическую среду, в которой молекулы постоянно синтезировались, разрушались и снова соединялись, повышая вероятность появления самовоспроизводящихся структур.

"Эти "мини-лаборатории" могли стать фундаментом для первых самовоспроизводящихся систем и элементарного наследования, подготавливая почву для биологической эволюции", — отмечают исследователи.

Дополнительный интерес вызывает сопоставление гипотезы с современными данными о необычных химических реакциях в экстремальных местах Земли. Например, новые наблюдения о процессах, протекающих на глубине океана в условиях полной темноты, показывают, насколько неожиданными могут быть источники энергии и молекул глубоководные экосистемы. Подобные явления подчёркивают, что жизнь может возникать там, где среда сама концентрирует и защищает химические системы.

Организующие свойства гелей

Гели обладают сразу несколькими важными функциями, которые ранее недооценивались в моделях происхождения жизни. Они способны удерживать определённые соединения избирательно, формируя микросреды с разным химическим составом. Эта селективность помогает упорядочивать реакции, делая их более направленными. Поверхность геля служит подобием каркаса, к которому молекулы могут временно прикрепляться, обеспечивая более точное взаимодействие. Такой механизм напоминает работу современных ферментов, хотя и намного менее эффективен. Удержание реагентов в ограниченном пространстве значительно повышает концентрации, что увеличивает вероятность образования длинных цепочек нуклеиновых кислот и белков.

Моделирование указывает, что такие структуры могли выдерживать сезонные и суточные изменения климата, оставаясь стабильными. В отличие от жидкой воды, гели не так подвержены резким колебаниям состава и способны сохранять реакционные цепочки дольше. Это создаёт возможность для накопления изменений, необходимых будущим биохимическим системам.

Интересно, что похожие процессы рассматриваются и в космологических моделях формирования сложных структур во Вселенной. Наблюдения за ранними галактиками и их динамикой, включая влияние массивных объектов вроде сверхмассивной чёрной дыры, показывают: там, где пространство ограничено, реакции и процессы приобретают совершенно иные масштабы. Этот параллельный пример демонстрирует, насколько важны "контейнеры" любой природы — от космических до химических — для возникновения сложных форм организации.

Взгляд за пределы Земли

Исследователи отмечают, что гипотеза имеет выраженное астробиологическое значение. Похожие гелеобразные структуры могут существовать на планетах с иными условиями: слабой атмосферой, сезонным испарением жидкости или минеральной поверхностью. Если такие плёнки способны концентрировать химические системы, это меняет подход к поиску потенциальной внеземной жизни. Вместо поиска отдельных органических молекул важно выявлять структуры, которые помогают им упорядочиваться и взаимодействовать. Этот подход может объяснить, почему некоторые планеты или их спутники проявляют стабильные химические цепочки даже при отсутствии жидких океанов.

Учёные планируют провести серию экспериментов, чтобы проверить образование природных гелей из простых органических и неорганических соединений. Они хотят воспроизвести условия ранней Земли и оценить влияние структуры гелей на реакционную кинетику. Такие данные помогут лучше понять, как относительно простые химические наборы превращались в первые самоорганизующиеся системы, из которых позже возникли клетки.

Сравнение гипотез о происхождении жизни

Сравнение гелевой модели и океанической модели

Гелевая модель происхождения жизни предлагает иной взгляд на роль среды, чем классические гипотезы. Она упрощает механизм концентрации молекул, делая его более естественным и не требующим специфических условий. Океаническая модель предполагает участие гидротермальных источников, которые создают богатую химическую среду, но требуют особого набора факторов. Гели же могут формироваться практически повсеместно при взаимодействии воды с минералами. Океанические модели сильны тем, что демонстрируют мощные источники энергии, однако гели дают более устойчивые микросреды, где реакции идут дольше. Оба подхода важны и могут рассматриваться как взаимодополняющие.

Плюсы и минусы гелевой гипотезы

Гелевая гипотеза обладает несколькими сильными сторонами. Она объясняет, как могли возникнуть ранние химические цепочки, используя доступные поверхности и природные процессы. Она делает акцент на самоорганизации и минимальных требованиях к окружающей среде.

Потенциальные преимущества:

• высокая локальная концентрация реагентов;
• устойчивые микросреды, снижающие влияние внешних факторов;
• возможность образования длительных цепочек РНК и белков;
• естественность условий возникновения гелей.
  Ограничения включают отсутствие полного экспериментального подтверждения и необходимость в специфических циклах влажности, которые могли быть неравномерными в разных регионах древней Земли.

Советы по поиску следов протожизни

Как подойти к поиску организованных химических структур

Поиск возможных следов протожизни требует анализа микросред, а не только отдельных соединений. Специалисты рекомендуют уделять внимание плёнкам, покрытиям и осадочным структурам, которые могли удерживать реагенты. Важно изучать взаимодействие минералов и воды, оценивая их способность формировать стабильные слои. Следует учитывать влияние климатических циклов, ускоряющих химические процессы. На других планетах нужно анализировать поверхности, которые способны концентрировать органику естественным образом. Такой подход расширяет возможности поиска и делает интерпретацию данных более точной.

Популярные вопросы о происхождении жизни в гелях

1. Как определить, могли ли гели формироваться на других планетах?
   Гели возникают при взаимодействии жидкости и минеральной поверхности, поэтому на телах с временными жидкими фазами и пористыми минералами их формирование вполне возможно.

2. Что лучше удерживает органические молекулы — гели или вода?
   Гели создают более концентрированную среду, где реагенты удерживаются дольше, что повышает шанс возникновения сложных цепочек.

3. Сколько стоит создание лабораторных условий, имитирующих раннюю Землю?
   Стоимость зависит от масштабов эксперимента, однако базовые установки с контролируемыми циклами осушения и нагрева доступны многим исследовательским центрам.