Химичната реакция, която може да е създала живота на Земята

Как е започнал животът? Как химичните реакции на ранната Земя са създали сложни, самовъзпроизвеждащи се структури, които са се превърнали в познатите ни живи същества, а и в нас?

Според една от школите, преди настоящата ера на живота, базиран на ДНК, е съществувал вид молекула, наречена РНК (или рибонуклеинова киселина). РНК – която и днес е важен компонент на живота – може да се самовъзпроизвежда и да катализира други химични реакции.

Но самите молекули на тази киселина са изградени от по-малки градивни компоненти, наречени рибонуклеотиди. Така правилният въпрос е как са се образували те на ранната Земя, а след това са се комбинирали в РНК?

Химици се опитват да пресъздадат веригата от реакции, необходими за образуването на РНК в зората на живота, но това е трудна задача. Знаем, че каквато и химична реакция да е създала рибонуклеотидите, тя трябва да е могла да се случи в сложният бульон, който е била нашата планета преди милиарди години.

Те са проучвали дали е възможно „автокаталитични“ реакции – реакции, при които се образуват химикали, които насърчават същата реакция да се случи отново, което означава, че те могат да се поддържат в широк спектър от обстоятелства – да са изиграли роля в този процес.

В едно такова проучване Кок Фонг Тран, докторант по пребиотична химия в Университета в Нов Южен Уелс, Австралия, и колеги интегрират автокатализата в добре познат химичен път за производство на градивните елементи на рибонуклеотидите – каквото може да се е случило с простите молекули и сложните условия, открити на ранната Земя.

Формозна реакция

Автокаталитичните реакции играят решаваща роля в биологията – от регулирането на сърдечния ритъм до образуването на шарки върху мидите. Всъщност самото възпроизвеждане на живота, при което една клетка приема хранителни вещества и енергия от околната среда, за да създаде две клетки, е особено сложен пример за автокатализа.

Химичната реакция, наречена формoзна, открита за първи път през 1861 г., е един от най-добрите примери за автокаталитична реакция, която би могла да се случи на ранната Земя.

По същество тя започва с една молекула от просто съединение, наречено гликолалдехид (съставено от водород, въглерод и кислород), и завършва с две. Механизмът разчита на постоянно снабдяване с друго просто съединение, наречено формалдехид.

Реакцията между гликолалдехида и формалдехида създава по-голяма молекула, като се отделят фрагменти, които се връщат обратно в реакцията и я поддържат. Щом обаче формалдехидът свърши, реакцията спира и продуктите започват да се разграждат от сложни захарни молекули в катран.

Реакцията с формалдехид споделя някои общи съставки с добре познатия химичен път за получаване на рибонуклеотиди, известен като път на Паунер-Шутерланд. Въпреки това досега никой не се е опитвал да свърже двете – и с основателна причина.

Реакцията е известна с това, че е „неселективна“ – което означава, че при нея се получават много безполезни молекули наред с тези, които желаем.

Трик

В изследването си обаче Тран и колегите му опитват да добавят и друга проста молекула, наречена цианамид, към реакцията формозата. Това дава възможност някои от молекулите, получени по време на реакцията, да бъдат „изсмукани“ за получаване на рибонуклеотиди.

Реакцията все още не дава голямо количество рибонуклеотидни градивни елементи. Тези, които се получават, обаче са по-стабилни и е по-малко вероятно да се разградят.

Интересното в изследването е и интегрирането на формозата и производството на рибонуклеотиди. Предишни изследвания са изучавали всяко от тях поотделно, което отразява начина, по който химиците обикновено мислят за създаването на молекули – като цяло те се стремят да избягват сложността, за да увеличат максимално количеството и чистотата на даден продукт. Този редукционистки подход обаче може да попречи да се изследват динамичните взаимодействия между различните химични пътища.

Тези взаимодействия, които се случват навсякъде в реалния свят извън лабораторията, вероятно са мостът между химията и биологията.

Промишлени приложения

Автокатализата има и индустриални приложения. При добавяне на цианамид към реакцията формозата друг от продуктите е съединение, наречено 2-аминооксазол, което се използва в химическите изследвания и в производството на много фармацевтични продукти.

При конвенционалното производство на 2-аминооксазол често се използват цианамид и гликолалдехид, последният от които е скъп. Ако може да се произведе чрез формоза, ще е необходимо само малко количество гликолалдехид за стартиране на реакцията, което ще намали разходите.

В момента тази процедура се оптимизира с надеждата, че ще може да се манипулира автокаталитичната реакция, за да се направят обичайните химични реакции по-евтини и по-ефективни, а фармацевтичните продукти – по-достъпни. Може би това няма да е толкова голямо събитие, колкото създаването на самия живот, но от лабораторията на Тран смятат, че все пак може да си струва.