Ученые объяснили, как аминокислоты образовались до зарождения жизни на Земле




Фото из открытых источников
Наша Солнечная система образовалась из молекулярного облака, состоящего из газа и пыли, которые были выброшены в межзвездную среду (МЗС) — обширное пространство между звездами. При коллапсе молекулярного облака образовалось раннее Солнце с большим диском из газа и пыли, вращающимся вокруг него. Пыльный материал столкнулся, чтобы образовать каменистый материал, который в конечном итоге увеличился в размерах и превратился в большие тела, называемые планетезималями.
 
Планетезимали, сформировавшиеся достаточно далеко от Солнца, также содержали большое количество льда. Лед состоял из воды и других летучих соединений, таких как окись углерода (CO), двуокись углерода (CO 2), метанол (CH 3 OH) и аммиак (NH 3), а также многие другие органические соединения, вероятно, включая некоторые аминогруппы. кислоты. В конце концов лед растаял из-за присутствия радиоактивного материала, нагревавшего тела.
 
Этот период жидкой воды (называемый водным изменением) позволил протекать многим реакциям, включая синтез Штреккера и реакции, подобные Формозе, результатом которых стало производство нового органического материала, включая аминокислоты. Тот же процесс также изменил горные породы из их исходных минералов на новые вторичные минералы, такие как филлосиликаты, карбонаты, оксиды железа и сульфиды железа.
 
Через несколько миллионов лет планетезимали начали замерзать, так как радиоактивный материал был израсходован. Более поздние катастрофические столкновения и взаимодействия с планетами Солнечной системы раскалывали крупные тела и сближали их астероидные и кометные обломки. Дальнейшие ударные события с тех пор доставили фрагменты этих астероидов и комет на поверхность Земли, снабдив Землю большим количеством органического материала, включая аминокислоты, на протяжении всей ее истории.
 
Аминокислоты присутствуют во всех живых существах на Земле, являясь строительными блоками белков. Белки необходимы для многих процессов в живых организмах, включая катализ реакций (ферменты), репликацию генетического материала (рибосомы), транспортировку молекул (транспортные белки) и обеспечение структуры клеток и организмов (например, коллаген). Следовательно, аминокислоты были необходимы в значительных количествах в регионе, где зародилась жизнь на Земле.
 
Предыдущая работа определила ряд возможных условий как на ранней Земле, так и во внеземной среде, которые могут образовывать аминокислоты. Интересно, что большинство аминокислот существуют по крайней мере в двух формах, структуры которых представляют собой зеркальные отражения друг друга, подобно человеческим рукам. Соответственно, их часто называют правыми или левыми оптическими изомерами. Одна интересная особенность жизни на Земле заключается в том, что она использует в своих белках один конкретный тип аминокислот — левосторонний оптический изомер.
 
В настоящее время известно, что только определенный класс метеоритов (углистых хондритов) содержит избыток левовращающих оптических изомеров, что привело к мысли, что аминокислоты, используемые жизнью, могли происходить из этих метеоритов. Несмотря на это, аминокислоты в метеоритах могли образоваться до их включения в состав метеоритов или после того, как метеориты уже образовались.
 
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа ученых проанализировала несколько фрагментов астероида Рюгу и подсчитала содержание в них аминокислот. Обилие минеральных фаз внутри частиц ранее сообщалось в другой публикации, что позволило провести сравнение между содержанием аминокислот и минералов. Было обнаружено, что одна частица (A0022) содержала большое количество аминокислоты, редко встречающейся во внеземных материалах, называемой диметилглицином (DMG), тогда как другая частица (C0008) не содержала этой аминокислоты выше предела обнаружения.
 
Между тем, содержание аминокислоты глицина оказалось ниже в A0022 по сравнению с C0008, в то время как содержание β-аланина показало противоположную тенденцию. Соответственно, отношение β-аланина к глицину было выше для A0022, чем для C0008. Ранее было показано, что это соотношение указывает на степень водного изменения, воздействующего на планетезимали. Соответственно, было высказано предположение, что какая-то реакция, связанная с более высокими уровнями изменения водной среды в A0022, может объяснить высокое содержание DMG в этой частице по сравнению с C0008.
 
Таким образом, минеральные фазы были исследованы, чтобы увидеть, есть ли какие-либо дополнительные доказательства того, какая реакция может вызывать различное содержание аминокислот между частицами Рюгу. Установлено, что содержание вторичных минералов (образованных после водного изменения), в том числе карбонатов, магнетита и Fe-сульфидов, выше в А0022, чем в С0008.
 
В частности, высокое содержание карбоната указывало на большее количество СО или СО 2 в области планетезималей, где была изменена А0022, по сравнению с С0008. В сочетании с данными о более интенсивном изменении соотношения β-аланина и глицина в водной среде это указывало на то, что в предшественнике A0022 в целом могло присутствовать больше льда, чем в C0008.
 
Одним из способов коммерческого производства DMG, важного питательного вещества для человека, является реакция Эшвейлера-Кларка. Эта реакция требует взаимодействия глицина с муравьиной кислотой и формальдегидом в воде и также дает CO 2. Глицин, формальдегид и муравьиная кислота содержатся в кометах, поэтому ожидается, что они будут присутствовать в планетезимальных предшественниках астероидов.
 
Таким образом, если реакция Эшвейлера-Кларка происходила при водном изменении в предшественнике А0022, то это могло бы объяснить высокий уровень ДМГ и более низкое содержание глицина в этой частице по сравнению с С0008. Кроме того, образовавшийся CO 2 мог еще больше способствовать образованию карбонатов в A0022.
 
В целом, результаты исследования показывают, что небольшие различия в условиях, присутствующих во время водного изменения на планетезималях, могут иметь большое влияние на конечное содержание аминокислот. Некоторые аминокислоты могут быть уничтожены, а другие созданы, и это, в свою очередь, повлияет на доступность аминокислот при зарождении жизни на Земле.