«Апостериори»: Минеральные наночастицы могли сыграть ключевую роль в возникновении жизни на Земле

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Возникновение жизни на Земле продолжает оставаться одной из главных загадок современной науки. За последние сто лет было предложено множество гипотез, объясняющих этот процесс. Одни исследователи считают, что всё началось с молекул РНК, способных одновременно хранить информацию и выполнять некоторые химические функции. Другие делают ставку на первые метаболические реакции, возникшие возле гидротермальных источников. Однако ни одна из существующих гипотез пока не позволяет полностью проследить путь от смеси простых химических веществ к первым живым организмам.

В обзорной статье, опубликованной в журнале Research, китайский исследователь Юндун Цзинь предложил новую концепцию, в которой попытался объединить несколько существующих подходов. Согласно этой гипотезе, важнейшую роль в происхождении жизни могли сыграть так называемые наноэнзимы – минеральные наночастицы, способные ускорять химические реакции подобно ферментам.

Ферменты необходимы всем известным живым организмам. Именно они обеспечивают работу обмена веществ, синтез белков, копирование генетической информации и тысячи других процессов. Однако возникает вопрос: если для существования жизни нужны ферменты, то что выполняло их роль до появления самой жизни?

Автор новой работы предполагает, что эту функцию могли взять на себя частицы минералов размером в несколько нанометров. Сегодня известно, что некоторые минералы действительно способны катализировать реакции, напоминающие те, которые в современных клетках осуществляются ферментами. В лабораториях уже созданы тысячи искусственных наноэнзимов на основе оксидов железа, титана и других соединений. По мнению автора статьи, подобные каталитические частицы могли естественным образом возникать и на ранней Земле.

Особое внимание исследователь уделяет минералам, содержащим железо и цинк. Такие частицы могли образовываться возле вулканов, гидротермальных источников и в результате выветривания пород. Под воздействием солнечного света, электрических разрядов и геотермальной энергии они могли участвовать в синтезе всё более сложных органических соединений из углекислого газа, воды, азота и других компонентов древней атмосферы.

Одной из центральных идей статьи является концепция так называемого «неорганического фотосинтеза». Сегодня растения используют энергию солнечного света для превращения углекислого газа и воды в органические вещества. Автор предполагает, что задолго до появления первых организмов похожую функцию могли выполнять минеральные катализаторы. Эффективность таких реакций была бы намного ниже, чем у современных растений, однако на протяжении миллионов лет даже медленный процесс мог привести к накоплению значительного количества органических молекул.

При этом роль минеральных наночастиц, по мнению автора, не ограничивалась только катализом. Они могли служить своеобразными площадками, на поверхности которых концентрировались органические соединения. Это важно потому, что в разбавленном растворе вероятность случайного взаимодействия сложных молекул крайне мала. Кроме того, некоторые минералы способны поглощать ультрафиолетовое излучение. На ранней Земле, ещё не имевшей озонового слоя, такая защита могла оказаться критически важной для сохранения первых органических структур.

Интересно и то, что новая гипотеза предлагает собственный ответ на старый вопрос: что возникло раньше – белки, ДНК или РНК? Многие существующие модели предполагают, что один из этих компонентов должен был появиться первым. Однако автор считает, что благодаря большому разнообразию минеральных катализаторов различные типы биомолекул могли формироваться параллельно, постепенно влияя друг на друга.

В статье также обсуждается место возникновения жизни. На протяжении многих лет исследователи спорят, появились ли первые живые системы вблизи гидротермальных источников на дне океана или в мелких водоёмах на поверхности суши. Автор предлагает компромиссный вариант. По его мнению, сами минеральные катализаторы могли образовываться возле гидротермальных источников, но наиболее важные этапы химической эволюции происходили на берегах небольших водоёмов, регулярно проходивших через циклы высыхания и увлажнения. Такие условия способствуют концентрации веществ и образованию более сложных структур.

Следует отметить, что новая работа носит в первую очередь теоретический характер. Автор не представляет одного решающего эксперимента, подтверждающего его гипотезу. Вместо этого он объединяет многочисленные результаты последних лет – исследования минерального катализа, синтеза органических веществ в лабораторных условиях, происхождения биологической хиральности и формирования протоклеток. Поэтому пока речь идёт скорее о возможном общем сценарии происхождения жизни, чем о доказанной теории.

Тем не менее подобные работы помогают сформулировать новые экспериментальные задачи. Если гипотеза верна хотя бы частично, то происхождение жизни могло оказаться не результатом одного уникального события, а следствием длительной совместной работы множества природных катализаторов.