Новое исследование отвергает теорию о том, что происхождение жизни обусловлено системой самокаталитических молекул, способных переживать дарвиновскую эволюцию без необходимости в РНК или ДНК и их репликации.

Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of National Academy of Sciences, опровергает теорию о том, что возникновение жизни связано с системой самокаталитических молекул, способных переживать дарвиновскую эволюцию без участия РНК или ДНК и их репликации.

Исследование, проведенное при участии Мауро Сантоса, научного сотрудника кафедры генетики и микробиологии Автономного университета Барселоны (UAB), продемонстрировало, что на основе анализа того, что некоторые исследователи называют «составными геномами», эти химические сети нельзя считать эволюционными единицами, поскольку они теряют свойства, необходимые для эволюции, когда достигают критического размера и более высокого уровня сложности.

Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) определяет жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции». Научные теории происхождения жизни вращаются вокруг двух основных идей: одна сосредоточена на генетике – с репликацией РНК или ДНК в качестве необходимого условия для дарвиновской эволюции – а другая сосредоточена на метаболизме. Очевидно, что оба процесса должны были начаться с простых органических молекул, образовавшихся в результате пребиотических процессов, что было продемонстрировано экспериментом Миллера-Юри (в котором органические молекулы были созданы из неорганических веществ). Разница между этими двумя теориями заключается в том, что репликация молекул РНК или ДНК – это слишком сложный процесс, требующий правильного сочетания мономеров в полимерах для создания молекулярной цепи в результате репликации.

До сих пор не существует правдоподобного химического объяснения того, как происходят эти процессы. Кроме того, защитники второй теории утверждают, что процессы, необходимые для эволюции, зависят от первобытного метаболизма. Считается, что этот метаболизм представляет собой тип химической сети с высокой степенью взаимного катализа между ее компонентами, что, в свою очередь, позволяет адаптироваться и эволюционировать без какой-либо молекулярной репликации.

В первой половине XX века советский биохимик, академик Александр Опарин выдвинул гипотезу «Метаболизм превыше всего» для объяснения происхождения жизни, усилив тем самым первичную роль клеток как маленьких капель коацерватов (эволюционных предшественников первых клеток прокариот). Академик Опарин не упоминал о молекулах РНК или ДНК, поскольку в то время было неясно, насколько важна роль этих молекул в живых организмах. Однако он заложил прочную основу для идеи самовоспроизведения как коллективного свойства молекулярных соединений.

Совсем недавно наука показала, что наборы химических компонентов хранят информацию о своем составе, которая может быть продублирована и передана потомкам. Это позволило назвать их «составными геномами» или композитами. Другими словами, наследственность не требует, чтобы информация хранилась в молекулах РНК или ДНК. Эти «составные геномы», очевидно, удовлетворяют условиям, необходимым для того, чтобы считаться эволюционными единицами, что позволяет предположить путь от додарвиновской динамики к минимальной протоклетке.

Тем не менее в данном исследовании ученые обнаружили, что эти системы не способны пройти дарвиновскую эволюцию. Впервые был проведен строгий анализ для изучения предполагаемой эволюции этих молекулярных сетей с применением компьютерного моделирования. Их исследование показало, что динамика популяций молекулярных соединений, которые делятся после достижения критического размера, не эволюционируют, поскольку во время этого процесса соединения теряют свойства, необходимые для дарвиновской эволюции.

Исследователи пришли к выводу, что это фундаментальное ограничение «составных геномов» должно привести к осторожности по отношению к теориям, которые ставят метаболизм на первое место в происхождении жизни, даже если бывшие метаболические системы могли бы предложить стабильную среду обитания, в которой могли бы развиться примитивные полимеры, такие как РНК.

Исследователи утверждают, что можно рассматривать различные сценарии добиотической Земли. Однако, по их мнению, «самоподдерживающиеся химические системы, способные претерпевать дарвиновскую эволюцию» [определение жизни, выработанное экспертами НАСА], могли возникнуть лишь тогда, когда генетическая информация была окончательно сохранена и передана, как это происходит в нуклеотидных полимерах (РНК и ДНК).

Vasasa V., Szathmáry E. and Santosa M. Lack of evolvability in self-sustaining autocatalytic networks: A constraint on the metabolism-first path to the origin of life // PNAS. 2010. Vol. 107. № 4 Р. 1470–1475. https://doi.org/10.1073/pnas.0912628107

https://www.sciencedaily.com/releases/2010/01/100108101433.htm