Бръсначът на Окам: Нови постижения и насоки в абиогенезиса

Медиакафе и блогът "Бръсначът на Окам" продължават рубриката, която публикуваме всеки вторник: предоставяне по лесно четаем, но пълноценен начин на различни теории от математиката, биологията, физиката и други свързани дисциплини. Днешното издание ни предоставя една теория, според която животът е възникнал заедно със създаването на планетата Земя:

Животът е по-стар от Земята. Космичният каталитичен реактор

Една от загадките на произхода на живота на Земята е фактът, че той се е зародил скоро след формирането на самата планета. Първите опити за абиогенезис на Опарин и Милър от миналия век
потвърждават, че от смес от прости газове в електрически разряди може да се синтезират сложни органични молекули, но те не обясняват как от първичния бульон ще се формират първите нуклеотидни молекули, т.е. мономерите на РНК и ДНК. Случайно няма да стане, защото нуклеотидите са твърде сложни молекули – за това нама да са достатъчни всичките 5 милиарда години на съществуване на Земята.

Физици от Института по катализа и няколко други института на СО РАН представят интересна хипотеза – сложните органични съединения са се образували още в газово-праховия облак, от който се е формирала Земята, т.е. Животът е възникнал заедно с нашата планета.

РНК и ДНК святИлюстрация: elementy.ru

Огромният газово-прахов облак, който се е въртял около Протослънцето е бил не просто облак, а огромен каталитичен реактор, в който химичните реакции са синтезирали различни органични съединения. Протопланетният прах е съдържал желязо, никел и силиций, имало е и изобилие от газообразни реагенти – основни компоненти на междузвездния газ – водород, въглероден оксид и т.н., така че просто е било неминуемо образуването на органични съединения. Точно така например в промишлеността се добиват въглеводороди и кислородосъдържащи органични вещества като спирт и алдехиди – от водород и въглероден оксид на желязо-никелови прахови частици.

Това, че съставът на метеоритите че такъв, че може да служи за катализатор на такива реакции е и експериментално потвърдено – като са използвани стрити до наноразмери скални и железни метеорити и смес от въглероден окис, водород и хелий при атмосферно налягане и температури до 500 ° С.

Формирането на Земята, а и на коя да е планета, заедно с химическите реакции за образуване на органични молекули е много сложен процес, но биха могли да бъдат симулирани някои основни етапи от него на компютър. Математиците от Института по изчислителна математика и математическа геофизика към СО РАН са моделирали този процес и можете да се запознаете с работата им: ОПЕРАТОРНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ЗАДАЧ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ, В. А. Вшивков, Г. Г. Лазарева. Тя показва образуването на планети като самоорганизация на материята в резултат на въздействието на тяхната протозвезда, като се взема предвид обратната връзка и химичните реакции на средата.

Формиране, взаимодействие и динамиката на вълните на плътността в околозвездния протопланетен диск РНК и ДНК свят

а) развитие на неустойчивост
б) активни вълни
в) окрупнени сгъстявания
г) вещество преминава през сгъстяванията
д) остават една или две вълни, които са стационарни
е) при благоприятни условия те стават планета

Илюстрация: wsyachina.narod.ru

В изчисленията си са възпроизвели топки, дискове, пръстени, спирални ръкави, т.е. всичко, което астрономите наблюдават в космоса. Спирали и пръстени възникват при развитието на нестабилността на колективното движение на тела заедно с газ. Анализът на развитието на нестабилността показва, че тези структури се появяват, когато масата на твърдите частици в газа е над определена стойност. Общата маса на всички тела около прото-звездата може да се увеличи в резултат на въртене – обичайния ефект на центрофугата. Освен това, подобно на пластелин, органичната материя, която лесно се синтезира върху твърдите катализатори, слепва праховите частици в газа, т.е. процесът има и обратна връзка.

И така се оказва , че планетата ни се е формирала заедно с "протопланетна" органична материя, от която на Земята са започнали и физико-химическите процеси, довели до Живот. Някои размисли на тема "Що е живот?" вече споменах в Теории за призхода на живота, и един от основните белези на живота е биологичната памет, даваща възможност да се натрупва и предава генетична информация – тя е в основата на естествения подбор.

Автокаталитичните реакции – предшественици на РНК и ДНК

А във всички живи организми в основата на биологичната памет са РНК и ДНК. Спонтанно възниква въпроса: "Възможно ли е да е имало по-прости предшественици на РНК и ДНК, които да са притежавали свойства, подобни на молекулярната памет?'

Такива са автокаталитичните системи, системи, в които химическите реакции се ускоряват от собствените си крайни продукти на реакцията. С други думи, в автокаталитичните реакции както при живите организми става възпроизвеждане, т.е. молекулите самостоятелно се репликират.

Реакцията може да се запише като R + X -> 2 X. като X е молекула автокатализатор, а R – "'молекулярна храна".

В една отворена система, където има обмен на материя с околната среда, но количеството 'храна' е ограничено, изчисленията показват, че концентрацията на автокатализаторите линейно нараства с количеството на храната. Но концентрацията на храна трябва да надвишава някакъв минимум, в зависимост от характеристиките на конкретния автокатализатор. Ако това не стане, тогава количеството автокатализатори става нула. За автокаталитичните реакции – в Хиперциклите.

"Естественият" отбор на автокатализатори Xi в намаляваща и последващо увеличаваща се концентрация на "храна" R.

Оцелява само автокатализатор X3, чиято критична концентрация на храна Rкр3 е по-малка от минимално изискваната граница на храна (празната точка)

РНК и ДНК святИлюстрация: elementy.ru

Сега си представете, че структурата или състава на молекулите може по някакъв начин да се променя. Промяната на структурата и състава на молекулата води до промяна в нейните качества и така всяка променена молекула ще има своя критична концентрация на храна. Ако концентрацията на храна намалее, ще изчезват тези автокатализатори, чиято критична концентрация на храна е над реалната, а ако количеството на храната ще се повиши отново, изчезналите катализатори няма да се появят. Това е естествен подбор, подобен на селекцията в биологичните популации.

Реакцията на Бутлеров. Хипотезата за ролята на захарите във формирането на живота

Такива автокаталитични реакции с мутация на автокатализаторите и елементи на "естествен подбор" има и това е т.н. "формозна" реакция на Бутлеров, открита преди почти 150г. и представлява синтез на захари от формалдехиди. При нея се получават цял набор разнообразни захари.

За автокатализатори на реакцията на Бутлеров служат самите синтезирани в нея захари.

Интересно е, че тази реакция е активно изследвана през 70-те години на миналия век, защото са искали да я използват за да получат изкуствена храна за далечни космически мисии като на Марс, например.

РНК и ДНК святИлюстрация: elementy.ru

Пълното химично наименование на ДНК и РНК – рибонуклеинова киселина и деоксирибонуклеинова киселина и основата на двете имена е думата 'рибоза'. Рибозата е захар с пет въглеродни атома, която е в основата на нуклеотидите, формиращи ДНК и РНК.

РНК и ДНК святИлюстрация: elementy.ru

Следва да се отбележи, че друг важен химически компонент на живите организми – преносителят на енергия ATФ (аденозин трифосфат) – съдържа също монозахарид рибоза. С други думи – захарта е основа на живота, отговорна за биологичната памет.

 

Полезните мутации в живите организми са изключително редки, а още по-малко е вероятно тяхното фиксиране – затова, естественият подбор в природата е много бавен. В лабораторни условия, при реакцията на Бутлеров и полезни и вредни мутации се срещат в един много кратък период от време. Дори е въпрос на няколко минути, както показват изследванията на групата на академик В. Н. Пармон от Института по катализа на СО РАН. Това е съвсем различна скорост на химическата селекция, което означава, че първите прототипи на живи обекти наистина може да се появят само за няколко милиони, може би дори стотици хиляди години.

Хипотезата за значението на автокаталитично синтез на захари може да хвърли светлина върху загадката на хиралността в живия свят – в живите организми са представени само десните изомери на захарта и само левите на аминокиселините. Според тази хипотеза за автокаталитичния синтез на захари, се оказва, че присъствието в живите организми само на десните изомери е случайност. Молекулите на почти всички захари имат свойството хиралност и ако един вид молекула на захарите-автокатализатори има значително "еволюционно" предимство пред другите, много бързо може да "изяде" останалите. Това е подобно на случайния първоначален минимален превес на материята над антиматерията, който е определил вида на Вселената ни.

Първата изкуствена РНК

За това, че молекулите на рибонуклеинова киселина (РНК) са най-подходящите градивни блокове за създаване на органичен живот може да прочете в РНК-свят. Тази теория е от преди около четиридесет години, но дълго време остана недоказана. Нейната валидност може да се потвърди само в случай на успешен изкуствен синтез на РНК.

Повече за първата изкуствена РНК в Нови постижения и насоки в абиогенезиса

Вашият коментар