Науковці спростували теорію формування перших цукрів на ранній Землі

Нове дослідження, проведене науковцями з дослідницького інституту Скріппса та Технологічного інституту Джорджії, кидає виклик давно усталеній гіпотезі про те, як утворилися перші цукри на ранній Землі. Результати цієї роботи, опубліковані в журналі Chem, можуть суттєво вплинути на наше розуміння походження життя.

Пребіотична Земля була суворим і нестабільним середовищем, що характеризувалося інтенсивним теплом, активними вулканами та слабкою атмосферою. Серед хіміків широко поширена думка, що рибоза — цукор, який формує основу РНК — утворилася спонтанно через так звану формозну реакцію. Однак нові дослідження ставлять під сумнів цю гіпотезу.

«Концепція формозної реакції як пребіотичного джерела рибози потребує серйозного переосмислення», — зазначає провідний автор дослідження Раманараянан Крішнамурті, професор хімії в інституті Скріппса. «Необхідно дослідити інші моделі та варіанти, якщо ми хочемо зрозуміти, як ці цукрові молекули виникли на ранній Землі».

Формозна реакція, випадково відкрита в 1861 році, довгий час вважалася провідною гіпотезою утворення пребіотичних цукрів. Під час цієї реакції молекули формальдегіду спонтанно та багаторазово реагують між собою, утворюючи більші молекули: спочатку два формальдегіди реагують, утворюючи двовуглецеву молекулу, яка потім реагує з іншим формальдегідом, утворюючи тривуглецеву молекулу, і так далі, доки весь формальдегід не буде використано.

Дослідники вирішили перевірити цю реакцію за м'якших умов: при кімнатній температурі та pH близько 8, що, на їхню думку, ближче до умов, які існували на пребіотичній ранній Землі. Зазвичай формозна реакція проводиться при високих температурах і в дуже лужному середовищі (при pH 12 або 13).

Для відстеження кількості та типів утворених цукрів вчені використовували потужну аналітичну техніку — спектроскопію ядерного магнітного резонансу (ЯМР) та позначили початкові молекули. За сумішшю спостерігали протягом кількох днів.

Результати показали, що реакція можлива навіть за м'яких умов, але її результати такі ж складні та неконтрольовані, як зазвичай. «Реакційна здатність формальдегіду не дозволяє зупинитися на певній стадії», — пояснює Крішнамурті. «Навіть за дуже м'яких умов реакції вона триває, доки весь формальдегід не буде використано, що означає, що дуже важко контролювати або зупинити реакцію для утворення проміжних цукрів».

Дані ЯМР виявили, що всі більші цукри, які утворилися, мали розгалужену структуру. Оскільки майже всі цукри, що використовуються як молекулярні будівельні блоки в живих організмах, є лінійними та нерозгалуженими, це свідчить про те, що формозна реакція не може пояснити походження біотичних цукрів.

«Наші результати ставлять під сумнів формозну реакцію як основу для утворення лінійних цукрів», — говорить співавтор дослідження Чарльз Ліотта, заслужений професор Технологічного інституту Джорджії.

Хоча м'які умови реакції не змогли створити лінійні цукри, необхідні для пояснення походження РНК, методи можуть бути корисними для біопаливної промисловості, де розгалужені цукри є бажаним товаром. «Наша робота може бути корисною для виробництва біопалива, оскільки ми виявили, що за м'якших умов ми можемо чистіше виробляти розгалужені цукри, які можна використовувати для зеленого палива», — зазначає Крішнамурті.

Дослідники не вважають це кінцем досліджень формозної реакції в контексті походження життя, але сподіваються стимулювати різні напрямки мислення. «Наша мета полягала в тому, щоб вказати на всі проблеми, з якими ви зіткнетеся, якщо думаєте про формозну реакцію в контексті пребіотичного синтезу цукру, але ми не кажемо, що це кінцева точка; наші результати можуть надихнути когось придумати кращий спосіб подолання цих проблем», — підсумовує Крішнамурті.