Космічна загадка кальцію: яким чином цей мінерал міг стати поштовхом для виникнення життя на Землі?

Дослідження ELSI: кальцій міг керувати "рукістю" молекул на зорі життя. Впливаючи на поліестери, цей мінерал, можливо, сприяв виникненню гомохіральності ще до появи РНК та білків на Землі.

Нове дослідження, проведене в Інституті наук про Землю та життя (Earth-Life Science Institute, ELSI) при Токійському інституті науки, виявило несподівану, але потенційно ключову роль звичайного елемента -- кальцію -- у формуванні найперших молекулярних структур життя. Вчені встановили, що іони кальцію можуть суттєво впливати на спосіб утворення примітивних полімерів, пропонуючи нове розуміння давньої загадки: чому молекули життя демонструють перевагу лише одній із двох можливих дзеркальних форм, відому як "рукість" або хіральність.

У природі існує безліч молекул, які можуть мати дві різні форми, що є дзеркальними відображеннями одна одної, подібно до лівої та правої руки людини. Проте, життя на Землі демонструє виражену перевагу одній з цих форм: цукри, що входять до складу ДНК та РНК, мають "праворуку" структуру, в той час як білки складаються виключно з "ліворуких" амінокислот. Це явище, відоме як гомохіральність, є надзвичайно важливим для роботи біологічних систем, але його походження залишається однією з найбільших загадок в науці про виникнення життя.

Щоб вивчити, яким чином умови ранньої Землі могли вплинути на формування цієї молекулярної переваги, дослідницька команда зосередилася на винній кислоті (ВК). Ця відносно проста органічна сполука має два хіральних центри, що дозволяє їй існувати в "лівій" (L-ВК) та "правій" (D-ВК) формах, а також у вигляді їх суміші. Вчені виявили, що на з'єднання молекул винної кислоти, що веде до утворення полімерів—довгих ланцюгових структур, зокрема поліестерів (складних поліефірів)—значно впливають іони кальцію (Ca²⁺) в середовищі, де вони присутні або відсутні.

У відсутності іонів кальцію чисті форми L-ВК або D-ВК легко переходять у полімери. Проте, коли обидві форми змішуються (створюючи рацемічну суміш), їх полімеризаційні властивості значно погіршуються, або ж полімери взагалі не формуються. Цікаво, що ситуація кардинально змінюється, коли в розчині з'являються іони кальцію. У такому випадку полімеризація чистих L-ВК або D-ВК відбувається повільніше, тоді як рацемічна суміш починає активно формувати полімери.

"Це вказує на те, що на ранній Землі доступність кальцію могла формувати особливі умови, які або сприяли, або гальмували процес утворення гомохіральних полімерів (з молекулами лише однієї рукості)," — зазначає Чен Чен, спеціальний постдокторант Центру науки про стійкі ресурси RIKEN (CSRS) та один із керівників дослідження.

Дослідники вказують на два основні механізми, через які кальцій може спричиняти подібний ефект. Перший механізм полягає в тому, що іони кальцію взаємодіють з молекулами винної кислоти, формуючи кристали тартрату кальцію. Цей процес кристалізації має важливу особливість: він селективно видаляє з розчину однакову кількість як лівих, так і правих молекул. Другий механізм може полягати в тому, що наявність кальцію, ймовірно, модифікує хімічні реакції полімеризації молекул винної кислоти, які залишаються у розчині. Цей подвійний вплив — селективне вилучення та зміна реакційної здатності — може посилювати навіть незначні початкові дисбаланси у співвідношенні лівих і правих молекул у певному середовищі, що врешті-решт призводить до виникнення переважання однієї з форм, яке ми спостерігаємо в сучасних біомолекулах.

Одним з найцікавіших аспектів цього дослідження є припущення, що поліестери — прості полімери, які формуються з таких молекул, як винна кислота — могли стати одними з перших гомохіральних молекул, що стали основою життя. Це відкриває можливість, що вони можуть займати таке ж важливе місце, або навіть попереджати, такі відомі молекули життя, як РНК, ДНК та білки в контексті виникнення живих організмів. "Коли ми говоримо про походження життя, зазвичай акцентуємо увагу на біомолекулах, таких як нуклеїнові кислоти та амінокислоти," — зазначає Тоні З. Цзя, доцент ELSI та один з керівників цього дослідження. "Проте наша робота пропонує альтернативний погляд: "небіомолекули", наприклад, поліестери, могли відігравати ключову роль на найперших етапах розвитку життя." Це свідчить про те, що перші кроки до складності та специфіки живих організмів могли бути здійснені з допомогою молекул, які сьогодні не є основними складовими частинами клітин.

Результати досліджень також акцентують увагу на тому, як різноманітні умови на ранній Землі могли впливати на формування різних типів полімерів. Наприклад, в середовищах з низьким вмістом кальцію, таких як певні прісноводні водойми, ймовірно, відбувалося утворення гомохіральних поліестерів. На противагу цьому, в умовах, де кальцію було вдосталь — наприклад, в морських середовищах чи в районах випаровування — могли формуватися полімери з комбінованою хіральністю або ж пригнічуватися утворення гомохіральних полімерів. Ця залежність від геологічних умов підкреслює важливу взаємозв'язок між геохімією Землі та хімічними процесами, які сприяли виникненню життя.

Це дослідження виходить за межі традиційної хімії, інтегруючи знання з біофізики, геології та матеріалознавства для аналізу взаємодій простих молекул у динамічних пребіотичних умовах. Дослідження є результатом тривалої міждисциплінарної співпраці, що об'єднала вчених із семи країн, розташованих в Азії, Європі, Австралії та Північній Америці.

"Ми стикнулися з серйозними викликами при спробі об'єднати різноманітні складні хімічні, біофізичні та фізичні аналізи в зрозумілу та логічну структуру," - зазначає співкерівник проекту Жуйцінь І з Гуанчжоуського інституту геохімії Китайської академії наук. "Проте, завдяки невтомній праці та відданості нашої команди, ми змогли виявити важливий новий елемент у розгадці походження життя." Це дослідження не лише розширює наше розуміння виникнення життя на Землі, але й вказує на можливість того, що подібні процеси, що залежать від наявності простих мінералів, могли відбуватися й на інших планетах. Це відкриття, в свою чергу, може надати вченим нові підходи в пошуках ознак життя за межами нашої планети, встановлюючи нові критерії для ідентифікації потенційно населених середовищ.