Більшість основних умов, необхідних для реплікації РНК, можливо, ключового етапу зародження життя, ймовірно, були виконані в порах гірських порід на вулканічних островах незабаром після утворення Землі. Це відкриття пропонує можливе пояснення одного з найзагадковіших аспектів виникнення життя і може змістити фокус зусиль на реконструкцію решти процесу.
Протягом багатьох років науковці, які намагаються з’ясувати, де зародилося життя, обговорювали дві моделі. Одна з них, наслідуючи Дарвіна, припускає наявність теплої водойми з амінокислотами, які, ймовірно, були занесені метеоритами. Альтернативна модель віддає перевагу гідротермальним джерелам на морському дні, де є багато енергії та поживних речовин. Ці дебати мають важливе значення для того, де ми повинні зосередити наші пошуки життя в інших світах. Європа та інші супутники з внутрішніми океанами цілком можуть мати гідротермальні системи, подібні до земних, але не мати концентраційних водойм. З іншого боку, Марс, ймовірно, колись мав невеликі поверхневі водойми, але, можливо, не був таким багатим на вулканічну активність.
Однак аспірант Університету Людвіга-Максиміліана Філіп Швінтек (Philipp Schwintek) вкинув нового претендента на перемогу: пористі породи на вулканічних островах. Замість стандартного рецензування, робота Швінтека і співавторів пройшла суперечливий процес “рецензованого препринта “, який випробовується eLife, що зіткнувся з критикою при використанні для інших гучних робіт.
Вважається, що в будь-якому місці реплікація РНК передувала решті того, що ми вважаємо життям. Для цього потрібно, щоб нитки РНК стали дволанцюговими перед тим, як розділитися. Хоча існує багато інших питань про те, як це може відбуватися в неживій системі, один з етапів, на якому зосередилися біохіміки, – це розділення ланцюгів, яке може легко відбуватися за певних умов, але не за тих, які необхідні для всього іншого. Зокрема, для реплікації РНК потрібна велика кількість солі магнію і нуклеїнових кислот, але це перешкоджає розділенню ланцюгів.
Зміна температури була улюбленим методом досягнення циклічності між умовами, в яких може відбуватися поділ і реплікація, але тепло руйнує нуклеїнові кислоти. Теплове вікно для цього процесу виглядає тривожно вузьким, особливо якщо врахувати, що температури повинні або циклічно змінюватися досить швидко, або теплі і холодні ділянки повинні розташовуватися поруч.
Швінтек та його колеги шукали цикл, який не потребував би значних температурних коливань. “Ми досліджували простий і повсюдно поширений геологічний сценарій, в якому рух води через пори гірських пор висушувався газом, що просочувався крізь породу і виходив на поверхню”, – сказав він у своїй заяві. “Такі умови були дуже поширені на вулканічних островах на ранній Землі, які забезпечували необхідні сухі умови для синтезу РНК”.
Команда створила модель пори вулканічної породи, частково заповненої водою. Вода випаровувалася в точці, де вона стикалася з газом, який, у свою чергу, частково розчинявся у воді, створюючи струми в процесі.
Команда додала крихітні намистинки, щоб відстежувати рух води, і використовувала короткі фрагменти ДНК, які світяться, щоб їх було легше розгледіти.
“Ми очікували, що безперервне випаровування призведе до накопичення ниток ДНК на межі розділу фаз, – каже Швінтек. “Дійсно, ми виявили, що вода безперервно випаровувалася на межі розділу фаз, але нуклеїнові кислоти у водній поверхні накопичувалися поблизу межі розділу газ/вода”. Протягом години на межі з газом було сконцентровано в 30 разів більше ДНК, ніж в інших частинах системи.
Це свідчить про те, що навіть на планеті, де нуклеїнові кислоти були в дефіциті, їхня концентрація на межі газ/вода могла стати достатньою для реплікації. Нитки не могли розділятися в такому середовищі, але тепло — не єдине, що могло це змінити — втрата солі могла зробити те ж саме.
“Ми припустили, що круговий потік рідини на межі розділу, який забезпечується газовим потоком, поряд з пасивною дифузією, сприятиме розділенню ланцюгів, змушуючи нуклеїнові кислоти проходити через зони з різною концентрацією солей”, – сказав старший автор дослідження професор Дітер Браун (Dieter Braun).
FRET-спектроскопія показує, зв’язані чи роз’єднані нитки ДНК, і команда підтвердила свої прогнози: нитки зв’язувалися поблизу межі розділу газ-вода в нерухомих умовах, але роз’єднувалися, коли вода текла вгору. Концентрація солі впала втричі під впливом невеликих вихорів на поверхні, чого було достатньо для того, щоб відокремлення відбулося подалі від межі з повітрям.
Ці спостереження були обнадійливими, але лише невелика ділянка поблизу місця зіткнення газу і води мала відповідну концентрацію нуклеїнових кислот, що ставило під сумнів, чи було б цього достатньо для початку процесу. Команда зробила наступний крок, приєднавши флуоресцентний барвник до нуклеїнових кислот і додавши ферменти, які синтезують дволанцюгову ДНК, щоб запустити процес.
Протягом двох годин, як повідомляють Швінтек і співавтори, світіння стало яскравішим, вказуючи на те, що відбувається реплікація, але це припинилося, коли обмін газу і води було зупинено.
“У цій роботі ми досліджували правдоподібне і багате геологічне середовище, яке могло спричинити реплікацію раннього життя, — підсумовує Браун. “Ми розглянули ситуацію, коли газ протікає над відкритою породою, заповненою водою, без будь-яких змін температури, і виявили, що комбінований потік газу і води може викликати коливання солей, які підтримують реплікацію ДНК”.
Це, звичайно, не доводить, що життя зародилося саме в цих умовах; для цього може знадобитися машина часу. Більше того, ми знаємо, що модель не точно відтворює умови, в яких розвивалося життя. Команда використовувала звичайне повітря в якості газу, включаючи кисень, який не був присутній в той час. Фермент, який команда використовувала для запуску дволанцюгового розщеплення ДНК, є продуктом живих істот, і не існував би на Землі, якби не допоміг першій РНК. Тим не менш, якщо результати дослідження переживуть більш ретельну оцінку інших вчених, вони змусять розглядати пористі породи на вулканічних островах поряд з попередніми фаворитами.
Препринт знаходиться у відкритому доступі на eLife.
