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. |photo-1| 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.” |photo-2| 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.