Един от основните научни проблеми, над които работят учени по целия свят, е произходът на живота на Земята. През последните десетилетия бяха постигнати много успехи в тази област, например, разработена е концепцията за света на РНК. Все още обаче не е известно как точно са възникнали молекулите, служещи за първите "градивни елементи" на живота. Списанието Science публикува статия, която отговаря на може би най-важния въпрос: откъде са дошли нуклеотидите, съставляващи РНК. „Lenta.ru“разкрива подробностите на изследването и говори за неговия смисъл.
Според съвременните научни концепции животът възниква от органични съединения, които реагират помежду си, за да създадат ключови молекули - нуклеозиди. Известно е, че нуклеозидът се образува от захарната рибоза или дезоксирибоза и една от пет азотни основи: аденин, гуанин, тимин, цитозин или урацил. Нуклеозидите са прекурсори на нуклеотиди, от които на свой ред са съставени ДНК и РНК. За да се превърне нуклеозидът в нуклеотид, е необходим допълнителен компонент - остатъци от фосфорна киселина.
Защо нуклеозидите излизат на преден план? На този въпрос се отговаря от научна концепция, известна като хипотеза на света на РНК, която смята, че именно РНК е стояла в началото на живота. Молекулите на рибонуклеиновите киселини бяха първите, които извършиха катализата на химичните реакции в първичния бульон, научиха се да копират себе си и една друга и най-важното - да носят наследствена информация. Тези РНК се наричат рибозими. Ако някоя молекула на РНК е имала способността да синтезира свои собствени копия, тогава това свойство се предава от поколение на поколение. Понякога копирането се придружаваше от грешки, в резултат на което новите РНК придобиха мутации.
Мутациите могат сериозно да навредят на каталитичните свойства на молекулите, но те също могат да променят РНК, давайки й нови способности. Например, учените са установили, че някои мутации ускоряват процеса на самокопиране и променените рибозими след известно време започват да доминират над „нормалните“. Молекулярни биолози, водени от Брайън Пегел от Изследователския институт на Scripps в Калифорния, наблюдават как ензимната активност на рибозимите в течение на три дни от еволюцията в лаборатория се увеличава в 90 пъти. Следователно, дори ако рибозимите първоначално не са били много активни, молекулярната еволюция може да ги превърне в идеални каталитични машини.
Въпреки това, хипотезата за света на РНК среща редица трудности. Например, не е известно как абиогенният, тоест без участието на живи организми, би могъл да протече синтез на първите рибозими. Въпреки че са намерени много аргументи в полза на света на РНК, основният въпрос - как се е появил - остава спънка.
Някои учени предполагат, че химическите съединения, от които са се образували нуклеозидите, не са могли да възникнат в земни условия, а са били донесени на планетата от космоса. Заслужава да се отбележи обаче, че проблемът е свързан с пуринови нуклеозиди - аденозин и гуанозин, съдържащи съответно аденин и гуанин. За молекулите на пиримидин, съдържащи цитозин, тимин или урацил, са известни пътища на синтеза, които биха могли да съществуват в началото на живота. Доминоподобните химични реакции водят до образуването на големи количества от необходимите пиримидини.
Промоционално видео:
Учените предложиха възможен път за образуването на пуринови нуклеозиди, но това може да доведе до появата на много други съединения, сред които нужните нуклеозиди биха били само малка част. Просто отмиването на пурините няма да работи, тъй като те са не само неразделни компоненти на РНК и ДНК, но също така образуват аденозин трифосфат (АТФ), който участва в метаболизма на енергията и веществата в организма, и гуанозин трифосфат, който служи като източник на енергия за синтеза на протеини.
Един прост начин за образуване на нуклеозид като аденозин е комбинирането на аденин с рибоза в присъствието на NH4OH. Рибоза се свързва с един от азотните азотни атоми, само той има няколко от тях и само азот на деветата позиция трябва да участва в синтеза на аденозин. Освен това се оказва, че този азотен атом не е много реактивен. Това означава, че ако хипотезата за света на РНК е правилна (което е повече от вероятно), трябва да има някакъв друг начин за синтезиране на аденозин и гуанозин в първичния бульон.
В ново проучване учените предложиха различен път за синтеза на пуринови нуклеозиди, който решава проблема и засилва позицията на концепцията за света на РНК. Всичко започва с аминопиримидинови молекули, които лесно се образуват от съединение, просто като NH4CN. Това се случва чрез образуването на гуанидин, след което той реагира с аминомалонитрил, което води до образуването на тетрааминопиримидинова молекула. Той лесно се окислява в среда, съдържаща кислород, но остава стабилен в атмосферата без кислород, която беше характерна за Земята преди раждането на живота. В допълнение към тетрааминопиримидин могат да се образуват други подобни молекули: триаминопиримидинон и триаминопиримидин. Всички тези съединения са лесно разтворими във вода.
Най-важното е, че и за трите аминопиримидини само определен азотен атом е реактивен и това решава проблема с участието в реакцията на други атоми, което е характерно за аденина. Подкислената среда води до факта, че азотните атоми в пръстена свързват протони и блокират всички външни амино групи, с изключение на една, разположена на пета позиция. Когато се нагрява смес от аминопиримидини и мравчена киселина, се образува само едно възможно съединение - формамидопиримидин. Добивът на реакцията е 70 до 90 процента.
Формамидопиримидин, въпреки приликата си с пурини, е лишен от недостатъците им. Азотният атом в девето положение, както се оказа, е най-реактивен и реакцията с рибоза в алкална среда винаги води до един и същ резултат: синтез на въглеродни скелети за пуринови нуклеозиди. Интересно е, че формамидопиримидинът активно участва във формирането на рибоза от гликолалдехид и глицералдехид, улеснява синтеза на нуклеозиди в амонячна среда. Като цяло учените са успели да открият път за образуването на нуклеотидни прекурсори от най-простите амонячни производни. Такива производни бяха открити наскоро в кометата Чурюмов-Герасименко, което потвърждава гледната точка за активното участие на кометите в снабдяването на Земята с всичко необходимо за появата на живота.
Химическата еволюция обаче повдига много повече въпроси и за да се отговори на тях ще са нужни усилията на изследователите по целия свят. Пълна картина на абиогенезата трябва да описва не само появата на нуклеотиди и други органични молекули без участието на живи организми, но и тяхното взаимодействие в условията на ранната Земя, взаимодействието, довело до образуването на първите клетки.
Александър Еникеев