Ученые объяснили, как и где образовались первые биомолекулы на Земле

Считается, что первые живые системы основывались на самовоспроизводящихся молекулах РНК, несущих наследственную информацию. Согласно гипотезе "мира РНК", эти молекулы были первыми биополимерами, способными катализировать в клетках химические реакции, приводящие к репликации цепей РНК, и инициировать самоподдерживающиеся эволюционные процессы.

Чтобы понять, могли ли первые биомолекулы самопроизвольно возникнуть в условиях ранней Земли четыре миллиарда лет назад, биофизики из Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана вместе с коллегами из Технического университета Дортмунда и Института биохимии Макса Планка провели лабораторные эксперименты.Главный вопрос, на который искали ответ ученые, — можно ли в природных условиях достичь необходимого солевого баланса. С химической точки зрения для правильного сворачивания РНК требуется относительно высокая концентрация двухзарядных ионов магния и минимальная концентрация однозарядного натрия, поскольку последний приводит к неправильной укладке цепей РНК.Сначала авторы синтезировали базальтовое стекло, образующееся при быстром охлаждении расплавленных пород, изливающихся из недр Земли на поверхность в процессе вулканизма. Такое стекло формируется, например, при контакте базальтовой лавы с океанской водой, что на ранней Земле происходило повсеместно.На втором этапе ученые проанализировали количество магния и натрия в базальтовом стекле при различных условиях, таких как температура или размер зерен геологического материала. Они всегда находили в воде значительно больше натрия, чем магния, и последний присутствовал в гораздо более низких концентрациях, чем те, которые требуются для появления пребиотической РНК.Однако эта ситуация значительно изменилась, когда исследователи добавили в систему тепловые потоки, которые, по мнению авторов, скорее всего, имели место из-за высокой геологической активности в потенциально пребиотической среде того времени.

В узких порах и трещинах, характерных для базальтовых стекол, градиенты температуры вызывают конвективные потоки, которые приводят к общему движению ионов против направления тока. Величина этого эффекта, известного как термофорез, сильно зависит от размера и электрического заряда соответствующих ионов.

Эксперименты показали, что комбинация конвекции и термофореза в конечном итоге приводит к локальному накоплению ионов магния в гораздо более высоких локальных концентрациях, чем ионы натрия, и этот эффект только нарастает с увеличением размера системы."Мы показали, что сочетание базальтовых пород и простых конвекционных потоков может привести к оптимальному соотношению между ионами магния и натрия в естественных условиях", — приводятся в пресс-релизе Мюнхенского университета слова руководителя исследования биофизика Кристофа Маста (Christof Mast).