Жизнь начала зарождаться до рождения Земли: подтверждено спонтанное формирование ее основ в глубоком космосе
Существует термодинамическое противоречие, ставящее под сомнение классические модели возникновения жизни в водной среде. Жидкая вода, являясь универсальным растворителем для биологических процессов, на этапе предбиологической эволюции действует как деструктивный фактор: она способствует гидролизу — разрушению связей между аминокислотами, а не их формированию. Этот химический барьер делает спонтанную сборку пептидных цепочек в гипотетическом «первичном бульоне» ранней Земли энергетически невыгодным и маловероятным событием.
Однако новое исследование международной группы физиков предлагает альтернативный сценарий, переносящий процесс синтеза за пределы планетных атмосфер. Экспериментальные данные свидетельствуют, что сборка сложной органики эффективно протекает в условиях глубокого вакуума и экстремально низких температур, где отсутствие жидкого растворителя становится определяющим фактором успеха реакции.
Проблема водной среды
Сначала важно разобраться, что за химическое препятствие стоит перед зарождением жизни. Белки состоят из пептидов — цепочек аминокислот. Химическая связь между двумя аминокислотами (пептидная связь) образуется в реакции конденсации, побочным продуктом которой является молекула воды.
Это создает термодинамическое противоречие, известное как «водный парадокс». Если жизнь зарождалась в водной среде (в так называемом «первичном бульоне»), то согласно закону действующих масс, избыток воды должен сдвигать химическое равновесие в обратную сторону. В воде пептидные связи стремятся разрушаться (гидролиз), а не образовываться. В современных организмах эту проблему решают специализированные ферменты и потребление энергии АТФ, но в пребиотическом мире таких механизмов еще не существовало.
Авторы нового исследования предположили, что природа могла обойти это ограничение, перенеся процесс синтеза в среду, где жидкая вода отсутствует полностью — в глубокий вакуум межзвездного пространства.
Экспериментальное моделирование космоса
Для проверки гипотезы ученые использовали установку, способную воссоздать условия, царящие в плотных молекулярных облаках и протопланетных дисках. В качестве исходного материала был выбран глицин — простейшая и наиболее распространенная во Вселенной аминокислота.
Тончайший слой глицина был нанесен на подложку в вакуумной камере и охлажден до температуры 20 Кельвинов (минус 253 градуса Цельсия). При такой температуре тепловое движение молекул практически останавливается, и классические химические реакции становятся невозможными. Однако в космосе материя не находится в покое: она постоянно подвергается бомбардировке заряженными частицами.
Исследователи имитировали это воздействие, облучая замороженный глицин пучками протонов. В эксперименте использовались два энергетических режима:
- Низкие энергии (10 кэВ): имитация воздействия солнечного ветра — потока частиц от молодой звезды.
- Высокие энергии (1 МэВ): имитация галактических космических лучей, пронизывающих межзвездное пространство.
Доказательство через изотопный анализ
Главная сложность подобных экспериментов — доказать, что зафиксированные продукты реакции возникли именно в ходе синтеза, а не были занесены извне. Если в ходе облучения глицина образуется пептид, должна выделиться молекула воды. Но обнаружить следовые количества воды в вакуумной установке недостаточно — всегда есть риск, что это остаточная атмосферная влага.
Чтобы исключить ошибку, физики применили метод изотопного замещения. Они использовали синтезированный глицин, в котором обычные атомы легкого водорода были заменены на дейтерий (тяжелый водород). Использовались две вариации: частично дейтерированный (D3-глицин) и полностью дейтерированный (D5-глицин).
Логика эксперимента заключалась в том, что если под действием протонного пучка молекулы глицина соединяются друг с другом, то выделяющаяся «вода» должна состоять из атомов, входивших в состав исходного вещества. Следовательно, приборы должны зафиксировать появление тяжелой воды (D₂O). Именно это и показали результаты масс-спектрометрии и инфракрасной спектроскопии: по мере облучения в образце росла концентрация тяжелой воды и появлялись характерные спектральные линии, соответствующие пептидным связям.
Механизм твердофазного синтеза
Полученные данные позволили детально описать процесс, происходящий на поверхности космических пылинок.
Когда высокоэнергетический протон врезается в слой замерзшего глицина, он не просто нагревает вещество, а вызывает каскад ионизаций. Протон разрывает химические связи внутри молекулы, выбивая электроны и создавая свободные радикалы — крайне реакционноспособные фрагменты молекул с неспаренными электронами.
В газовой фазе или в жидкости такие радикалы быстро прореагировали бы с чем угодно и распались. Но в твердой ледяной матрице при температуре близкой к абсолютному нулю подвижность молекул ограничена. Радикалы оказываются заперты в определенных положениях. Это создает условия для специфической рекомбинации: углерод карбоксильной группы одной молекулы связывается с азотом аминогруппы соседней молекулы.
Результатом становится образование глицилглицина — простейшего дипептида. Исследование показало, что этот процесс эффективно идет и при низких энергиях (солнечный ветер), и при высоких (космические лучи), что делает его универсальным для различных областей космоса.
Неожиданная сложность: прекурсоры ДНК
Анализ продуктов реакции преподнес исследователям сюрприз. Помимо дипептидов, в образцах было обнаружено вещество N-формилглицинамид. Это молекула более сложной структуры, и ее наличие имеет критическое значение для теорий происхождения жизни.
Дело в том, что N-формилглицинамид является важным промежуточным звеном в биосинтезе пуринов — класса молекул, к которым относятся аденин и гуанин. Это буквы генетического кода, составляющие основу ДНК и РНК.
Таким образом, эксперимент показал, что космическая радиация способна запускать параллельный синтез компонентов сразу для двух главных подсистем жизни: структурной (белки) и информационной (генетический материал). Ранее считалось, что столь разные классы соединений требуют различных условий для формирования.
Астрофизический контекст и выводы
Работа датских и венгерских физиков меняет представление о хронологии возникновения жизни. Традиционно считалось, что сложные молекулы начали формироваться только после того, как Земля остыла и на ней появились океаны. Теперь этот временной горизонт сдвигается на миллионы лет назад, в эпоху формирования Солнечной системы.
Согласно полученным данным, синтез пептидов происходит:
- В плотных молекулярных облаках — гигантских скоплениях газа и пыли, из которых рождаются звезды.
- В протопланетных дисках — вращающихся структурах вокруг молодых звезд, где формируются планеты.
В этих регионах космическая пыль покрыта слоями льда из воды, аммиака, метана и простейших аминокислот. Галактические лучи непрерывно обрабатывают эти льды, превращая их в химические реакторы. По мере того как из пыли и газа формируются кометы и астероиды, они уже содержат внутри себя запас сложных полимеров.
Это означает, что на раннюю Землю в период поздней тяжелой бомбардировки выпадали не просто вода и минералы. Кометы доставляли на планету уже готовый конструктор из дипептидов и прекурсоров нуклеотидов. Низкие температуры космоса играли роль консерванта, сохраняя эти молекулы от распада до момента попадания в благоприятную среду планетарного океана.
Данное открытие устраняет необходимость объяснять, как именно в первичном океане Земли преодолевался термодинамический барьер для синтеза первых пептидов. Вероятно, этот этап был пройден еще до того, как планета сформировалась, а земная жизнь воспользовалась результатами химической эволюции, произошедшей в холодном вакууме межзвездного пространства.
Источник:researchgate