Как могла возникнуть жизнь из простых химических соединений — этот вопрос вновь оказался в центре внимания научного сообщества. Новое исследование, опубликованное учеными Франкфуртского университета имени Гёте, описывает, как простые молекулярные строительные блоки постепенно проходят множество промежуточных стадий и формируют системы, способные хранить информацию, самовоспроизводиться и выполнять сложные функции. Работа предлагает новый взгляд на переход от неживой материи к живой.
В основе исследования лежит концепция «возникновения» (эмерджентности) — явления, при котором свойства системы невозможно предсказать только по характеристикам ее отдельных частей. Эти свойства проявляются лишь при объединении элементов в более сложные структуры.
Профессор Харальд Швальбе из Института органической химии и химической биологии Франкфуртского университета имени Гёте пояснил, что эмерджентность наблюдается не только в биологических системах, но и на уровне молекул. В качестве примера он приводит воду — соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода, обладающее новыми свойствами, отсутствующими у отдельных атомов.
Полярность молекулы воды, при которой кислород имеет частично отрицательный заряд, а водород — положительный, приводит к образованию слабых притяжений между молекулами. Именно это взаимодействие делает воду жидкой в диапазоне температур от 0 до 100 градусов Цельсия — условиях, характерных для Земли. В этой среде ускоряются химические реакции, необходимые для формирования биологических структур.
По словам ученого, такие условия стали критически важными для появления жизни: в водной среде ДНК может сохранять информацию, а белки — формировать устойчивые структуры. Молекулы ДНК состоят из полярных и неполярных компонентов, которые по-разному взаимодействуют с водой. Полярные части ориентируются наружу, а неполярные — внутрь, что способствует формированию устойчивой двойной спирали, напоминающей винтовую лестницу.
«Таким образом, возникающие свойства воды накладывают определенный порядок на более сложные молекулы», — отметил Швальбе. Он сравнил этот процесс с работой дирижера, который задает структуру взаимодействия элементов системы. Благодаря этому порядку становятся возможны такие ключевые свойства ДНК, как саморепликация: две нити молекулы разделяются, после чего каждая служит шаблоном для создания новой цепи.
Исследование также выделяет 13 характеристик сложных систем, среди которых — способность переходить в критические состояния. В такие моменты свойства системы резко изменяются под влиянием эмерджентных процессов, что приводит к появлению новых функций. Эти переходы невозможно точно предсказать, однако они могли играть ключевую роль в формировании жизни на ранней Земле.
Отдельно ученые отмечают, что для подобных процессов необходим постоянный приток энергии, который на Земле обеспечивается солнечным излучением. Эволюционные механизмы, возникшие еще на стадии химической организации материи, в сочетании с эмерджентностью способствовали развитию разнообразных форм жизни.
По словам Швальбе, процесс не был предопределен: при ином развитии событий на протяжении четырех миллиардов лет могли бы возникнуть совершенно другие формы жизни.
Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
