Одна из самых больших нерешенных проблем в объяснении происхождения жизни на Земле – парадокс курицы и яйца: как могли основные биохимические вещества – такие как аминокислоты и нуклеотиды – появиться до появления биологических катализаторов (белков и рибозимов), необходимых для их образования?

В статье в журнале The Biological Bulletin ученые выдвигают предположение, что к возникновению метаболизма и самой жизни мог привести третий тип катализатора, образовавшийся в глубине гидротермальных океанических источников.

Согласно модели ученых, которая может быть проверена экспериментально, молекулярные структуры с участием переходных металлов (железа, меди, никеля и др.) и лигандов (небольших органических молекул) могли стать катализаторами синтеза основных биохимических веществ (мономеров), выступающих в качестве строительных блоков более сложных молекул, что, к конечном итоге, привело к зарождению жизни. Модель предложена Гарольдом Моровитцем (Harold Morowitz) из Университета Джорджа Мейсона (of George Mason University – GMU), Виджейасарати Шринивасаном (Vijayasarathy Srinivasan) из GMU и Эриком Смитом (Eric Smith) из Института Санта-Фэ (Santa Fe Institute).

«В теории, объясняющей происхождение жизни, на протяжении последних 50 лет существует большая проблема. Она заключается в том, что для образования мономеров нужны большие белковые молекулы-катализаторы, а для образования таких катализаторов необходимы мономеры», – говорит Моровитц.

Однако, считает он, «можно начать с этих небольших катализатор из лигандов и металлов, и они построят мономеры, которые затем могут быть использованы для образования (больших белковых катализаторов)».

Атом переходного металла может служить центром металло-лигандного комплекса, в котором он связан и окружен другими лигандами. Моровитц и его коллеги предполагают, что простые металло-лигандные комплексы в гидротермальных океанических источниках катализировали реакции, давшие начало более сложным молекулам. Затем эти все более сложные молекулы становились лигандами во все более эффективных катализаторах из металлов-лигандных комплексов. Постепенно произошло накопление молекулярных компонентов метаболизма, и они смогли самоорганизоваться в сети химических реакций, заложивших основу жизни.

Цитрат железа – структура, образованная из переходного железа и цитрата, соединения, синтезируемого растениями, водорослями и многими бактериями. Мировитц и его коллеги предполагают, что подобные структуры могли катализировать образование молекулярных строительных блоков, ведущих в конечном итоге к образованию сложных молекул, необходимых для зарождения жизни. (Credit: Harold Morowitz, George Mason University)

«Мы привыкли думать, что если бы мы смогли понять, какова была роль углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы, мы сразу же смогли бы понять всю биологию», – говорит Моровитц, перечисляя элементы, составляющие большую часть биомассы Земли. «Но теперь, когда мы обнаруживаем, что и эти другие довольно редкие элементы, переходные металлы, необходимы для биологии, мы спрашиваем, какова была их роль в происхождении жизни?».

Гипотеза предполагает, что образование живых форм является естественным следствием уникальных свойств переходных металлов и вытекает из теории поля лигандов, описывающей лигандные комплексы.

«Идея возникла из изучения периодической системы. Мы твердо убеждены, что, если вы не способны увидеть, как жизнь возникла каким-либо формальным химическим способом, вы, в действительности, не собираетесь решать проблему»,  – утверждает Моровитц.

Моровитц и его коллеги готовят эксперименты для проверки каталитических свойств металло-лигандных комплексов с различными типами лигандов. Лиганды, известные своей способностью прочно связываться с переходными металлами, включают в себя молекулы, синтезируемые в процессе восстановительного цикла лимонной кислоты, ряда биохимических реакций, необходимых для многих микроорганизмов.

«Мы думаем, жизнь началась с восстановительного цикла лимонной кислоты, и есть доказательства того, что в условиях гидротермальных источников образовались некоторые из интермедиатов этого цикла», – говорит Моровитц. «Мы собираемся начать с этих молекул, смешать их с различными переходными металлами, некоторое время «поварить» их при различных температурах и посмотреть, какие катализаторы мы получим».

Такие эксперименты могут выявить, какие виды каталитических реакций могли привести к зарождению основ жизни. Гипотеза также допускает возможность того, что жизнь могла возникнуть не однажды.

«Жизнь могла возникнуть не один раз, и, если мы найдем ее где-нибудь еще во Вселенной, она может оказаться очень похожей на жизнь, которую мы знаем здесь, потому что будет основана на тех же переходных металлах и лигандах», – говорит Моровитц. «На данный момент это только предположение, но оно может стать формальным научным ядром для понимания возникновения жизни».

Аннотация к статье: Morowitz, H. J., Srinivasan, V., Smith, E. Ligand Field Theory and the Origin of Life as an Emergent Feature of the Periodic Table of Elements