Где на Земле впервые появились живые молекулы?

Считается, что первые живые системы основывались на самовоспроизводящихся молекулах РНК, несущих наследственную информацию. Немецкие ученые выяснили, где эти молекулы впервые могли образоваться. Оказалось, что если в микротрещинах базальтов окажется нужная смесь солей, и на нее повлияют тепловые потоки вулканов, то может зародиться новая жизнь.

Согласно гипотезе «мира РНК» эти молекулы были первыми биополимерами, способными запускать в клетках химические реакции, чтобы цепи РНК начали самовоспроизводиться и эволюционировать.

Чтобы понять, могли ли первые биомолекулы самопроизвольно возникнуть в условиях ранней Земли четыре миллиарда лет назад, биофизики из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана вместе с коллегами из Технического университета Дортмундаи Института биохимии Макса Планка провели лабораторные эксперименты.

Главный вопрос, на который искали ответ ученые, — можно ли в природных условиях достичь необходимого солевого баланса.

Оказалось, что можно.

Оптимальное сочетание базальтовых пород и простых конвекционных потоков может привести к оптимальному соотношению между ионами магния и натрия в естественных условиях.

С химической точки зрения для правильного сворачивания РНК требуется относительно высокая концентрация двухзарядных ионов магния и минимальная концентрация однозарядного натрия, поскольку последний приводит к неправильной укладке цепей РНК.

Сначала авторы синтезировали базальтовое стекло, образующееся при быстром охлаждении расплавленных пород, изливающихся из недр Земли на поверхность в процессе вулканизма. Такое стекло формируется, например, при контакте базальтовой лавы с океанской водой, что на ранней Земле происходило повсеместно.

На втором этапе ученые проанализировали количество магния и натрия в базальтовом стекле при различных условиях, таких как температура или размер зерен геологического материала. Они всегда находили в воде значительно больше натрия, чем магния, и последний присутствовал в гораздо более низких концентрациях, чем те, которые требуются для появления пребиотической РНК.

Однако эта ситуация значительно изменилась, когда исследователи добавили в систему тепловые потоки, которые, по мнению авторов, скорее всего, имели место из-за высокой геологической активности в потенциально пребиотической среде того времени.

В узких порах и трещинах, характерных для базальтовых стекол, градиенты температуры вызывают конвективные потоки, которые приводят к общему движению ионов против направления тока. Величина этого эффекта, известного как термофорез, сильно зависит от размера и электрического заряда соответствующих ионов.

Эксперименты показали, что комбинация конвекции и термофореза в конечном итоге приводит к локальному накоплению ионов магния в гораздо более высоких локальных концентрациях, чем ионы натрия, и этот эффект только нарастает с увеличением размера системы.