Космічний секрет кальцію: як мінерал міг запустити життя на Землі?

Нове дослідження, проведене в Інституті наук про Землю та життя (Earth-Life Science Institute, ELSI) при Токійському інституті науки, виявило несподівану, але потенційно ключову роль звичайного елемента — кальцію — у формуванні найперших молекулярних структур життя. Вчені встановили, що іони кальцію можуть суттєво впливати на спосіб утворення примітивних полімерів, пропонуючи нове розуміння давньої загадки: чому молекули життя демонструють перевагу лише одній із двох можливих дзеркальних форм, відому як «рукість» або хіральність.

Багато молекул у природі існують у двох формах, які є дзеркальними відображеннями одна одної, подібно до лівої та правої руки людини. Однак життя на Землі демонструє чітку перевагу одній «руці»: цукри в ДНК та РНК є «праворукими», тоді як білки побудовані виключно з «ліворуких» амінокислот. Ця послідовна перевага, відома як гомохіральність, є критично важливою для функціонування біологічних систем, але її походження залишалося однією з найбільших таємниць науки про виникнення життя.

Щоб дослідити, як умови ранньої Землі могли сформувати цю молекулярну перевагу, команда вчених вивчала винну кислоту (ВК) — відносно просту органічну молекулу, яка має два хіральних центри і, відповідно, може існувати у «лівій» (L-ВК) та «правій» (D-ВК) формах, а також у вигляді суміші. Дослідники виявили, що присутність або відсутність іонів кальцію (Ca²⁺) кардинально впливає на те, як молекули винної кислоти з'єднуються, утворюючи полімери — довгі ланцюгові молекули, в даному випадку — поліестери (складні поліефіри).

За відсутності кальцію чиста L-ВК або чиста D-ВК легко утворюють полімери. Однак суміш обох форм (рацемічна суміш) за цих умов полімеризується значно гірше або взагалі не утворює полімерів. Дивовижно, але ситуація змінюється на протилежну, коли в розчині присутні іони кальцію. У цьому випадку полімеризація чистої L-ВК або D-ВК сповільнюється. Натомість суміш лівої та правої форм починає активно утворювати полімери.

«Це свідчить про те, що доступність кальцію могла створювати специфічні середовища на ранній Землі, де утворення гомохіральних полімерів (з молекул лише однієї рукості) або сприялося, або пригнічувалося,» — пояснює Чен Чен, спеціальний постдокторант Центру науки про стійкі ресурси RIKEN (CSRS), який був одним із керівників дослідження.

Дослідники пропонують два основні механізми, за допомогою яких кальцій може спричиняти такий ефект. По-перше, іони кальцію зв'язуються з молекулами винної кислоти, утворюючи кристали тартрату кальцію. Важливо, що цей процес кристалізації вибірково видаляє з розчину однакову кількість як лівих, так і правих молекул. По-друге, присутність кальцію, ймовірно, змінює саму хімію реакції полімеризації молекул винної кислоти, що залишаються в розчині. Цей подвійний вплив — вибіркове видалення та зміна реакційної здатності — міг посилювати навіть невеликі початкові дисбаланси в співвідношенні лівих і правих молекул у певному середовищі, зрештою призводячи до виникнення домінуючої рукості, яку ми спостерігаємо в сучасних біомолекулах.

Особливо інтригуючим аспектом цього дослідження є припущення, що саме поліестери — відносно прості полімери, утворені з таких молекул, як винна кислота, — могли бути одними з перших гомохіральних молекул життя. Це ставить їх в один ряд або навіть перед такими канонічними молекулами життя, як РНК, ДНК чи білки, у сценаріях походження життя. «Походження життя часто обговорюється в термінах біомолекул, таких як нуклеїнові кислоти та амінокислоти,» — пояснює спеціально призначений доцент ELSI Тоні З. Цзя, інший керівник дослідження. «Однак наша робота представляє альтернативну перспективу: „небіомолекули“, такі як поліестери, могли відігравати критичну роль на найраніших етапах шляху до життя.» Це припускає, що перші кроки до складності та специфічності життя могли бути зроблені за допомогою молекул, які сьогодні не є центральними компонентами живих клітин.

Результати також підкреслюють, як різноманітність середовищ на ранній Землі могла впливати на типи полімерів, що формувалися. Наприклад, середовища з низьким вмістом кальцію, такі як деякі прісноводні озера або ставки, могли сприяти утворенню гомохіральних поліестерів. Навпаки, середовища, багаті на кальцій, наприклад, деякі морські умови або зони випаровування, могли сприяти утворенню полімерів зі змішаною хіральністю або пригнічувати утворення гомохіральних. Така залежність від геологічних умов підкреслює тісний зв'язок між геохімією планети та хімічними процесами, що призвели до виникнення життя.

Це дослідження виходить за рамки суто хімії, об'єднуючи знання з біофізики, геології та матеріалознавства для вивчення того, як прості молекули взаємодіяли в динамічних пребіотичних середовищах. Воно також є результатом багаторічної міждисциплінарної співпраці, що об'єднала дослідників із семи країн Азії, Європи, Австралії та Північної Америки.

«Ми зіткнулися зі значними труднощами в інтеграції всіх складних хімічних, біофізичних та фізичних аналізів у чіткий та логічний спосіб,» — каже співкерівник проекту Жуйцінь І з Гуанчжоуського інституту геохімії Китайської академії наук. «Але завдяки наполегливій праці та відданості нашої команди ми виявили переконливий новий фрагмент пазла походження життя.» Це дослідження не лише поглиблює наше розуміння зародження життя на Землі, але й припускає, що подібні процеси, керовані доступністю простих мінералів, могли відбуватися й на інших планетах. Це, у свою чергу, може допомогти вченим у пошуках ознак життя за межами нашого світу, надаючи нові критерії для пошуку потенційно населених середовищ.