Земля, в отличие от своих соседей, является домом для множества одинаково сложных форм жизни. Однако их происхождение до сих пор остается загадкой. Многие исследования предполагают, что жизнь на Земле зародилась в первобытном молекулярном "супе". Из этого супа все живые существа на Земле состоят из биомолекул, включая многие белки. Но пока неизвестно, образовались ли эти скопления молекул, давшие начало жизни, на Земле или нет. Пытаясь разгадать эту тайну, исследователи выявили и изучили признаки возможного внеземного происхождения этих органических молекул. Результаты показывают, в частности, что они могли образоваться в космических условиях, при очень низкой температуре, без воды и облучения, благодаря туннельному эффекту квантовой механики.
Исследование, опубликованное в журнале , было проведено учеными из Университета Йены и Института астрономии Макса Планка. Эксперименты показали, что пептиды - связи, полученные из блоков аминокислот (которые дают начало белкам), могут образовываться в космических молекулярных облаках. Это скопления пыли и газа, которые широко представлены в космическом пространстве, где рождаются звезды.
Пептиды — это очень большое семейство молекул, из которых, по сути, состоит вся жизнь на Земле, как структурно, так и функционально. Все они рождаются из одних и тех же оснований, но расположение в процессе полимеризации определяет судьбу каждого из них. Некоторые из них образуют каркас, на котором формируются клетки, другие переносят вещества или вызывают физиологические реакции (например, ферменты).
Сцепление аминокислот и полимеризация образующихся пептидов происходят в очень точных условиях, что обеспечивает такую широкую универсальность. Понимание происхождения этих биомолекул может стать ключом к разгадке происхождения жизни на Земле. Хотя ранее считалось, что такие ценные условия могут возникнуть только на нашей планете, новое исследование показывает обратное. Но откуда мы на самом деле взялись?
Создание пептидов без воды
Многие научные исследования предполагают, что пептиды нуждаются в воде, чтобы дать начало сложным формам жизни. Это связано с тем, что это основной процесс, в ходе которого аминокислоты связываются друг с другом, образуя пептидную цепь. Глицин, например, можно получить из химического предшественника, называемого аминокетеном, путем связывания с молекулой воды. Затем, чтобы соединиться со следующей аминокислотой, молекула воды должна быть снова удалена.
"Наши расчеты в области квантовой химии показали, что аминокислота глицин может образовываться из химического предшественника — аминокетена — при соединении с молекулой воды. Проще говоря: в этом случае для первого этапа реакции необходимо добавить воду, а для второго — удалить", — объясняет в своем заявлении ведущий автор исследования Серж Краснокутски из Йенского университета и исследовательской группы Лаборатории астрофизики Института астрономии Макса Планка.
В своих экспериментах группа исследователей попыталась пропустить этап, требующий воды, и перешла непосредственно от аминокетенов к пептиду полиглицину. Помимо отсутствия воды, они также смоделировали другие космические условия молекулярных облаков, включая добавление углерода, аммиака и монооксида углерода. Затем эти элементы были помещены в сверхвысоковакуумную камеру при давлении, составляющем одну квадриллионную часть атмосферного давления Земли, и температуре -263°C.
Удивительным и неожиданным результатом стало то, что глицин был способен полимеризоваться в этих экстремальных условиях. Пептидные цепи даже выросли до 11 аминокислотных единиц! Также был обнаружен знаменитый аминокетен. "Тот факт, что реакция может происходить при таких низких температурах, объясняется тем, что молекулы аминокетена чрезвычайно реакционноспособны", — объясняет Краснокутски.
Поскольку они могут образовываться в космосе, пептиды могли попасть на Землю из пролетающих комет или метеоритов. Это открытие, которое вполне может поставить под сомнение чувствительные экзистенциальные вопросы, также открывает другие перспективы исследований, касающихся происхождения жизни на Земле, а также экзопланет.
Туннельный эффект может быть ключом
Чтобы пептиды, необходимые для жизни, образовались в экстремальных условиях космического вакуума, необходимо преодолеть энергетический барьер. Чтобы возникли связи, молекулы водорода должны двигаться. Однако они настолько легки и малы, что, будучи квантовыми частицами, могут преодолеть энергетический барьер только с помощью эффекта туннелирования. Благодаря этому квантово-механическому явлению, они смогут пересечь этот критический потенциальный барьер, даже если их энергия ниже минимальной энергии, необходимой для его преодоления.