Ученые воссоздали ландшафт ранней Земли и вживую проследили за спонтанной сборкой первых структур жизни

Происхождение жизни на Земле — это в первую очередь проблема физики и гидродинамики, а не только чистой химии. В современной астробиологии одной из ведущих моделей формирования первых клеток является гипотеза горячих источников. Она предполагает, что биологические структуры образовались не в открытом океане, а на суше, в сетях геотермальных водоемов и вулканических кратеров. Главное преимущество таких геологических формаций — постоянное изменение уровня жидкости. Под воздействием выбросов гейзеров, осадков и высоких температур вода то заполняет небольшие углубления в камнях, то полностью высыхает. Этот процесс называется циклом увлажнения и высыхания.

В постоянной водной среде сложные органические молекулы нестабильны: они разрушаются быстрее, чем успевают образовать длинные цепи. Чтобы базовые органические элементы соединились в макромолекулы, такие как белки или цепочки РНК, необходимо регулярное удаление воды из системы. При полном испарении жидкости химические элементы сближаются, концентрируются на нагретой поверхности минералов и вступают в реакции полимеризации. Когда вода возвращается в водоем, она растворяет получившиеся соединения и позволяет им взаимодействовать с новыми веществами.

Долгое время исследователи пытались воспроизвести эти процессы в стандартных лабораторных условиях, используя стеклянные колбы и пластиковые планшеты. Однако стекло — это однородный, химически неактивный материал с гладкой поверхностью, который не встречается в геологической природе. В реальных геотермальных водоемах присутствуют значительные перепады температур, неровные поверхности минералов и потоки воды, которые переносят вещества между пулами разной глубины. Изолированная колба не позволяет изучать влияние гидродинамики и минералогии на пребиотические химические реакции.

Чтобы устранить этот методологический пробел, группа инженеров и биохимиков из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработала первую настольную систему модульных геотермальных бассейнов. Исследователи спроектировали аппаратный комплекс, который программно контролирует температуру, потоки жидкости и химический состав на геологически достоверных поверхностях. Результаты испытаний установки опубликованы в издании Astrobiology.

Инженерия геотермальных сетей

Основой аппаратной системы стали миниатюрные чаши объемом от двух до трех миллилитров. Каждая чаша проектировалась с учетом требований гидродинамики и печаталась на 3D-принтере из термостойких фотополимерных смол и полилактида. Форма чаш и наличие в них открытых террас позволяют соединять их между собой в многоуровневые сети. По этим каналам жидкость перетекает под действием гравитации, строго направленно перемещая вещества из верхних ярусов системы в нижние.

Под каждой чашей установлены независимые нагревательные элементы, а внутри размещены термопары, способные фиксировать температуру в диапазоне от -50 до 250 градусов Цельсия. Управление аппаратным комплексом осуществляет микроконтроллер Arduino. Программное обеспечение, разработанное исследователями, позволяет задавать индивидуальные температурные режимы для каждого отдельного водоема. К системе подключены микроперистальтические насосы, которые автоматически подают пресную воду или химические буферы, воспроизводя ритм осадков. Это дает возможность проводить эксперименты длительностью в недели, включающие сотни повторяющихся циклов испарения и увлажнения.

Главной инновацией проекта стало воссоздание минеральных поверхностей внутри 3D-печатных деталей. Стандартный пластик химически инертен, поэтому инженерам потребовалось имитировать породы древнейших кратонов — стабильных участков земной коры, сохранивших структуру ранней Земли. Образцом послужила геологическая формация Пилбара в Западной Австралии, где найдены следы горячих источников возрастом более трех с половиной миллиардов лет.

Исследователи разработали сложный процесс минерального покрытия. Внутреннюю поверхность пластиковых чаш обрабатывали плазмой и покрывали слоем полидиметилсилоксана для обеспечения адгезии. Затем на нее наносили суспензию из воды, гидроксида кальция и измельченных в мелкую фракцию базальта и каолинита. После термической сушки на пластике образовывалась прочная, шероховатая минеральная структура, способная выдерживать длительное воздействие горячих растворов без расслоения.

Сборка и тестирование протоклеток

На первом этапе работы установки исследователи проверяли, как в условиях искусственных горячих источников формируются везикулы. Везикулы — это микроскопические липидные пузырьки, которые в водной среде самопроизвольно собираются из молекул жирных кислот. Они считаются прямыми эволюционными предшественниками клеточных мембран: любая живая система нуждается в оболочке, изолирующей ее внутренние процессы от внешней среды. Строительный материал для этих мембран был доступен на ранней Земле: например, короткоцепочечные жирные кислоты (такие как декановая кислота) в значительном количестве обнаруживаются внутри углеродистых метеоритов.

Ученые поместили раствор декановой кислоты в покрытые минералами чаши и запустили программный цикл высыхания при температуре 60-70 градусов Цельсия. В процессе испарения воды молекулы липидов плотно оседали в микротрещинах шероховатой базальтовой поверхности.

На этом этапе проявилась критическая разница между минеральным симулятором и лабораторным стеклом. В традиционных пробирках гладкая поверхность стекла имеет отрицательный электростатический заряд. При добавлении новой жидкости липиды просто отталкиваются от стенок и не образуют сложных структур. В 3D-печатных водоемах базальтовое покрытие надежно удерживало слои молекул в момент полного пересыхания системы.

Когда микронасосы подавали воду, инициируя процесс регидратации, начиналась физическая трансформация. Во время фазы пересыхания в остатках жидкости повышалась концентрация солей, что приводило к изменению ионной силы и кислотно-щелочного баланса (pH). Возвращение воды вызывало резкий осмотический скачок. Микроскопический анализ показал, что благодаря этой динамике в минеральных чашах массово формируются гигантские однослойные (униламеллярные) везикулы.

Наличие одной тонкой мембранной стенки — важнейший параметр для биологической эволюции. Толстые многослойные пузырьки, часто возникающие в пробирках, физически закрыты. Однослойная мембрана обладает осмотической проницаемостью: она способна пропускать внутрь химические элементы из внешней среды и выводить наружу отходы метаболических реакций.

Инкапсуляция генетического материала

Для проверки функциональности образовавшихся мембран эксперимент был усложнен. В раствор добавили флуоресцентный маркер и молекулы РНК. Задачей было установить, смогут ли липидные оболочки в процессе своего формирования захватить генетический материал и удержать его внутри.

Микроскопия подтвердила процесс инкапсуляции. Во время поступления воды, когда слои липидов отрывались от поверхности минералов и замыкались в сферы, они физически захватывали окружающий раствор. Молекулы РНК оказывались запертыми внутри однослойных везикул. Более того, эти протоклетки продемонстрировали структурную стабильность: они сохраняли захваченную РНК внутри себя на протяжении нескольких последующих циклов нагревания и полного испарения жидкости.

Значение для современной науки

Создание программируемого гидротермального симулятора переводит исследования происхождения жизни на новый уровень системной сложности. Наука уходит от концепции изолированных реакций в колбе к концепции управляемых геохимических сетей.

Модульность системы позволяет проектировать многоступенчатые эксперименты, точно повторяющие природную топографию. Исследователи могут настроить процесс так, чтобы в верхнем резервуаре концентрировались и синтезировались полимеры. Затем гравитационный поток перенесет их по базальтовой террасе в средний резервуар, где за счет изменения уровня pH они будут упакованы в липидные мембраны. После этого сформированные протоклетки поступят в нижний водоем для проверки их устойчивости в новых температурных условиях.

Австралийский проект доказывает, что изучение механизмов зарождения жизни невозможно без учета физики пространства. Синтез сложных биологических структур требует не только наличия органических веществ, но и строгой гидродинамической архитектуры, в которой жидкости, минералы и температурные градиенты работают как единая механическая система.

Источник:Astrobiology