Сто пятьдесят лет назад Чарльз Дарвин предположил, что жизнь, вероятно, зародилась в маленьком теплом пруду. Там, по предположению Дарвина, химические реакции и случайный удар молнии могли привести к образованию цепочек аминокислот, которые со временем становились все более и более сложными, пока не появились зачатки жизни.

С тех пор исследователи изучают этот тип преджизненной или "пребиотической" химии, пытаясь выяснить химические пути, которые могли привести от бассейна, наполненного простыми аминокислотами, к бактериям, деревьям красного дерева и людям. После серии экспериментов аспирантка химического машиностроения Университета Висконсин–Мэдисон Хейли Бойгенцан и Джон Инь, профессор химической и биологической инженерии и один из основателей Висконсинского института открытий, могут объяснить, как мог произойти один из потенциально важных ранних шагов на жизненном пути. Они опубликовали свои выводы в журнале Origins of Life and Evolution of Biospheres.

В знаменитом исследовании 1952 года под названием эксперимент Миллера-Юри исследователи смоделировали условия, которые, как считалось, присутствовали на пребиотической Земле, включая определенные соотношения воды, метана, водорода и других элементов. При воздействии электричества для имитации молнии исследователи обнаружили, что в результате реакции образуются аминокислоты, что позволяет предположить, что эти молекулы широко присутствовали на пребиотической Земле.

"Мы знаем, что аминокислоты являются строительными блоками белков, а белки необходимы для жизни", - говорит Инь. "В пребиотической химии долгое время стоял вопрос о том, как мы могли бы заставить эти вещества образовывать связи и нити таким образом, чтобы в конечном итоге получилась живая клетка. Вопрос сложный, потому что задействованный конкретный химический состав имеет тенденцию разрушаться в присутствии воды".

В своем эксперименте Бойгенцан исследовала, возможно ли, что эти аминокислоты могли собираться вместе в периоды изменения окружающей среды — например, при испарении воды в бассейне. В присутствии химического активатора эти аминокислоты могут связываться вместе в пептиды или короткие цепочки аминокислот.

Чтобы изучить, как аминокислоты могут образовывать связи в процессе сушки, Бойгенцан создал растворы аминокислоты глицина и триметафосфата, активатора, который естественным образом образуется во время вулканических процессов. Используя нагреватель для выпаривания раствора, Бойгенцан наблюдал за тем, что происходило с аминокислотами в течение 24 часов.

То, что она обнаружила, было двухэтапным процессом. На первой стадии, когда рН раствора был щелочным, глицин объединялся в двухмолекулярные единицы, называемые димерами, которые также продуцировали протоны, делая рН раствора нейтральным. На второй стадии, когда происходило испарение, димеры начали связываться вместе, образуя более длинные пептидные цепи, называемые олигоглицином.

Легко представить сценарий, в котором аминокислоты в нагретом вулканом горячем источнике, содержащем активатор, сначала объединяются в димеры. Затем, по мере испарения воды и изменения ее химического состава, димеры связываются и начинают образовывать более длинные цепочки аминокислот.

"Что мы здесь показываем, так это то, что не обязательно, чтобы во всех реакциях была одна и та же среда", - говорит Бойгенцан. "Они могут происходить в различных средах, при условии, что происходящие реакции помогают создать среду, благоприятную для следующих шагов".

Благодаря многократным циклам "мокрое-сухое" возможно, что пептидные цепочки становились все длиннее и длиннее. В конце концов, они могли бы начать сворачиваться сами по себе, образуя ферменты или белки, которые катализируют химические реакции. Это могло бы подготовить почву для более сложных белков и зачатков метаболизма.

Бойгенцан и Инь оба говорят, что пройдет много времени, прежде чем исследователи выяснят возможный путь от маленького теплого пруда Дарвина к зарождению жизни. Но, особенно для инженеров-химиков, усилия по изучению пребиотической химии могут принести большие плоды.

"Если вы действительно разберетесь в этой химии, которая отличается от традиционной биологии, в конечном итоге вы сможете создать химические системы, способные хранить информацию, адаптироваться и эволюционировать", - говорит Инь. "ДНК хранит информацию с плотностью, в тысячи раз превышающей плотность компьютерного чипа. Если бы мы могли получить системы, которые делают это, не обязательно являясь живыми клетками, тогда вы начинаете думать о всевозможных новых функциях и процессах, происходящих на молекулярном уровне ".