Una dintre principalele probleme științifice la care lucrează oamenii de știință din întreaga lume este originea vieții pe Pământ. În ultimele decenii, s-au obținut numeroase succese în acest domeniu, de exemplu, conceptul de lume ARN a fost dezvoltat. Cu toate acestea, încă nu se știe cum au apărut exact moleculele care au servit drept primele „blocuri de construcție” ale vieții. Revista Science a publicat un articol care răspunde poate la cea mai importantă întrebare: de unde provin nucleotidele care alcătuiesc ARN. „Lenta.ru” dezvăluie detaliile studiului și vorbește despre sensul acestuia.
Conform conceptelor științifice moderne, viața a provenit din compuși organici care au reacționat între ei pentru a crea molecule cheie - nucleozide. Se cunoaște că nucleozidul este format din riboza de zahăr sau dezoxiriboză și una dintre cele cinci baze azotate: adenină, guanină, timină, citozină sau uracil. Nucleozidele sunt precursorii nucleotidelor, dintre care, la rândul lor, ADN și ARN sunt compuse. Pentru ca o nucleozidă să se transforme într-un nucleotid, este necesară o componentă suplimentară - resturi de acid fosforic.
De ce ies nucleozidele în prim-plan? La această întrebare răspunde un concept științific cunoscut sub numele de ipoteza lumii ARN, care crede că ARN-ul a stat la originea vieții. Moleculele acizilor ribonucleici au fost primii care au efectuat cataliza reacțiilor chimice din bulionul primar, au învățat să se copieze între ei și, cel mai important, să furnizeze informații ereditare. Aceste ARN se numesc ribozime. Dacă orice moleculă de ARN avea capacitatea de a-și sintetiza propriile copii, atunci această proprietate era transmisă din generație în generație. Uneori, copierea era însoțită de erori, ca urmare a cărora ARN-urile noi dobândeau mutații.
Mutațiile ar putea dăuna grav proprietăților catalitice ale moleculelor, dar ar putea, de asemenea, să modifice ARN, oferindu-i noi abilități. De exemplu, oamenii de știință au descoperit că unele mutații accelerează procesul de auto-copiere, iar ribozimele modificate după un timp încep să domine asupra celor „normale”. Biologii moleculari conduși de Brian Pegel de la Scripps Research Institute din California au observat cum activitatea enzimatică a ribozimelor a crescut de 90 de ori în timpul unei evoluții de trei zile într-un laborator. Prin urmare, chiar dacă ribozimele nu au fost inițial foarte active, evoluția moleculară le-ar putea transforma în mașini catalitice ideale.
Cu toate acestea, ipoteza lumii ARN întâmpină o serie de dificultăți. De exemplu, nu se știe cum abiogenic, adică, fără participarea organismelor vii, ar putea avea loc sinteza primelor ribozime. În timp ce multe argumente au fost găsite în favoarea lumii ARN, întrebarea cheie - cum a apărut - rămâne un blocaj.
Unii oameni de știință sugerează că compușii chimici din care s-au format nucleozidele nu ar putea apărea în condiții terestre, ci au fost aduși pe planetă din spațiu. Este demn de remarcat, însă, că problema este asociată cu nucleozide purine - adenozină și guanozină, care conțin adenină și, respectiv, guanină. Pentru moleculele de pirimidină care conțin citosină, timină sau uracil, sunt cunoscute căi de sinteză care ar putea exista la originea vieții. Reacțiile chimice asemănătoare domeniului conduc la formarea unor cantități mari de pirimidine necesare.
Video promotional:
Oamenii de știință au propus o posibilă cale de formare a nucleozidelor purine, dar poate duce la apariția multor alți compuși, dintre care nucleozidele necesare ar fi doar o mică parte. Doar spălarea purinelor nu va funcționa, deoarece acestea nu sunt doar componente integrante ale ARN și ADN-ului, ci și formează adenozina trifosfat (ATP), care este implicată în metabolismul energiei și substanțelor din organism, și guanozina trifosfat, care servește ca sursă de energie pentru sinteza proteinelor.
O modalitate simplă de a forma un nucleozid precum adenozina este de a combina adenina cu riboza în prezența NH4OH. Ribose se atașează de unul dintre atomii de azot adenină, numai că are mai mulți dintre ei și numai la sinteza adenozinei ar trebui să participe doar azotul în a noua poziție. În plus, se dovedește că acest atom de azot nu este foarte reactiv. Aceasta înseamnă că, dacă ipoteza lumii ARN este corectă (ceea ce este mai mult decât probabil), trebuie să existe un alt mod de a sintetiza adenozina și guanozina în bulionul primar.
Într-un nou studiu, oamenii de știință au propus o cale diferită pentru sinteza nucleozidelor purine care rezolvă problema și întărește poziția conceptului de lume ARN. Totul începe cu molecule de aminopirimidină, care se formează cu ușurință dintr-un compus la fel de simplu precum NH4CN. Acest lucru se întâmplă prin formarea de guanidină, apoi reacționează cu aminomalonitril, rezultând formarea unei molecule de tetraaminopirimidină. Se oxidează cu ușurință într-un mediu care conține oxigen, dar rămâne stabil în atmosfera fără oxigen care a fost caracteristică Pământului înainte de nașterea vieții. Pe lângă tetraaminopirimidină, se pot forma și alte molecule similare: triaminopirimidinona și triaminopirimidină. Toți acești compuși sunt ușor solubili în apă.
Cel mai important, pentru toate cele trei aminopirimidine, doar un anumit atom de azot este reactiv, iar acest lucru rezolvă problema participării la reacția altor atomi, care este caracteristică adeninei. Mediul acidifiat duce la faptul că atomii de azot din inel atașează protoni și blochează toate grupele amino externe, cu excepția unuia situată în a cincea poziție. Când un amestec de aminopirimidine și acid formic este încălzit, se formează un singur compus posibil - formamidopirimidina. Randamentul de reacție este de 70 până la 90 la sută.
Formamidopirimidina, în ciuda asemănării sale cu purinele, este lipsită de dezavantajele lor. Atomul de azot în poziția a noua, după cum s-a dovedit, este cel mai reactiv, iar reacția cu riboza într-un mediu alcalin duce întotdeauna la același rezultat: sinteza scheletelor de carbon pentru nucleozide purine. Interesant este că formamidopirimidina este implicată activ în formarea ribozei din glicolaldehidă și gliceraldehidă, facilitând sinteza nucleozidelor într-un mediu de amoniac. În general, oamenii de știință au reușit să descopere o modalitate de formare a precursorilor nucleotidelor din cei mai simpli derivați ai amoniacului. Astfel de derivați au fost găsiți recent pe cometa Churyumov-Gerasimenko, ceea ce confirmă punctul de vedere despre participarea activă a cometelor la furnizarea Pământului cu tot ce este necesar pentru apariția vieții.
Cu toate acestea, evoluția chimică ridică multe alte întrebări, iar pentru a le răspunde va fi nevoie de eforturile cercetătorilor din întreaga lume. Imaginea completă a abiogenezei ar trebui să descrie nu numai apariția nucleotidelor și a altor molecule organice fără participarea organismelor vii, ci și interacțiunea lor în condițiile Pământului timpuriu, interacțiunea care a dus la formarea primelor celule.
Alexandru Enikeev
