Гипотеза мира полиароматических углеводородов

Мир полиароматических углеводородов — гипотетический этап химической эволюции, когда полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые, возможно, были в изобилии в первичном бульоне ранней Земли, привели к синтезу молекул РНК, что создало предпосылки для мира РНК и возникновению жизни.

Синтез РНК из ПАУ

История

Эксперимент Миллера — Юри в 1952 году продемонстрировал синтез органических молекул, таких как нуклеотиды, аминокислоты, формальдегид и моносахариды, из исходных неорганических предшественников, которые, возможно, присутствовали в первичном бульоне.

Исследование свойств РНК показало, что молекулы РНК способны к хранению, передаче, и размножению генетической информации, а также способны катализировать реакции в качестве рибозимов. В результате, в 1968—1986 гг. сформировалась гипотеза мира РНК, в которой молекулы РНК предшествовали современной ДНК-РНК-белковой жизни, обособленной мембраной от внешней среды.

Тем не менее, в этой картине химической эволюции есть несколько пропущенных этапов, например, непонятно, как возникли первые РНК-молекулы. Гипотеза мира ПАУ была высказана Саймоном Николасом Платтсом (Simon Nicholas Platts) в мае 2004 года в попытке заполнить пропущенный этап^[1]. Более полно разработанная идея была опубликована в 2006 году группой учёных Ehrenfreund и др.^[2]

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

Основная статья: Полициклические ароматические углеводороды

Полиароматические углеводороды широко распространены в видимой Вселенной и, вероятно, были представлены в первичном бульоне ранней Земли^[3]. ПАУ, вместе с фуллеренами (или бакиболами) были обнаружены в космических туманностях^[4]. По словам астронома Летиции Стангеллини (Letizia Stanghellini), вполне возможно, что бакиболы из внешнего космоса явились семенами жизни на Земле^[5].

ПАУ обычно плохо растворимы в морской воде, но в результате ионизирующего облучения солнечным ультрафиолетом внешние атомы водорода могут быть отщеплены и заменены на гидроксильную группу, делая ПАУ более растворимыми в воде.

Эти модифицированные ПАУ амфифильны, то есть имеют гидрофильную и гидрофобную части. В результате они самоорганизуются в стеки, подобные липидам, поворачивая гидрофобные части друг к другу.

Присоединение азотистых оснований к каркасу из ПАУ

В самоорганизующихся стеках ПАУ расстояние между смежными кольцами равно 0,34 нм. На таком же расстоянии находятся смежные азотистые основания в молекулах РНК и ДНК. Более мелкие молекулы будут естественным образом присоединяться к кольцам ПАУ. Однако, кольца ПАУ имеют тенденцию вращаться относительно друг друга, что будет приводить к столкновениям присоединённых молекулярных соединений к смежным кольцам. Всё это вызывает специфическое связывание с плоскими молекулами, такими как пиримидиновыми и пуриновыми азотистыми основаниями — ключевыми компонентами (и переносчиками информации) РНК и ДНК. Эти основания также амфифильны и выстраиваются в аналогичные стеки.

Присоединение олигомерного остова

Согласно гипотезе, после присоединения азотистых оснований к ПАУ-кольцам с помощью водородных связей, промежуток между основаниями детерминирует выбор связывающей молекулы определённого размера, такого как небольшой олигомер формальдегид (также представленный в первичном бульоне), который связывается с азотистыми основаниями уже ковалентными связями^[6][1].

Отсоединение РНК-подобной цепочки

Последующее кратковременное повышение кислотности окружающей среды, например, в результате вулканических извержений, освободивших кислотные газы (диоксид серы, углекислый газ), возможно, вызвало отсоединение азотистых оснований от ПАУ-остова, формируя РНК-подобные молекулы (с формальдегидным остовом вместо сахарофосфатного, используемого современными РНК, но с тем же шагом 0,34 нм)^[6].

Формирование рибозимоподобных структур

Развивая гипотезу, можно предположить, что РНК-подобные цепочки после отсоединения от ПАУ-стеков начали сворачиваться сами на себя путём комплементарного связывания между азотистыми основаниями с помощью водородных связей, формируя стабильные и частично двухцепочечные РНК-подобные структуры, похожие на рибозимы. Формальдегидные олигомеры остова были в конечном счёте заменены на более стабильные сахарофосфатные молекулы. Всё это создало предпосылки для разнообразного РНК-мира, в котором эволюционировали уже РНК-молекулы^[6][1][7].

См. также

• Хронология эволюции

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} «Prebiotic Molecular Selection and Organization», NASA’s Astrobiology website
2. ↑ Ehrenfreund P, Rasmussen S, Cleaves J, Chen L. (2006) Experimentally tracing the key steps in the origin of life: The aromatic world. Astrobiology 6(3):490-520.
3. ↑ Allamandola, Louis et Al. «Cosmic Distribution of Chemical Complexity»
4. ↑ (2010-10-28) «Formation Of Fullerenes In H-Containing Planatary Nebulae». The Astrophysical Journal Letters 724. DOI:10.1088/2041-8205/724/1/L39.
5. ↑ (Atkinson, Nancy. Buckyballs Could Be Plentiful in the Universe, Universe Today (27 октября 2010). Проверено 28 октября 2010.
6. ↑ ^{1 2 3} Platts, Simon Nicholas, «The PAH World — Discotic polynuclear aromatic compounds as a mesophase scaffolding at the origin of life»
7. ↑ Lincoln, Tracey A.; Joyce, Gerald F. (January 8, 2009). «Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme». Science (American Association for the Advancement of Science) 323 (5918): 1229. DOI:10.1126/science.1167856. PMID 19131595. Проверено 2009-01-13. Lay summary – Medical News Today (January 12, 2009).

Ссылки

• The 'PAH World'
• Astrobiology magazine Aromatic World An interview with Pascale Ehrenfreund on PAH origin of life. — Accessed June 2006
• Life’s ingredients found in early universe New Scientist Magazine 14:49 29 July 2005
• RNA-directed amino acid homochirality

Эволюционная биология

 

Эволюция •  Доказательства эволюции
Эволюционные процессы	Адаптация • Преадаптация • Экзаптация • Абаптация • Видообразование • Микроэволюция • Макроэволюция
Генетика популяций	Дрейф генов • Естественный отбор • Изоляция • Поток генов
Происхождение жизни	Возникновение жизни • Химическая эволюция • Гипотеза мира РНК
Исторические концепции	Дарвинизм • Ламаркизм • Пангенезис • Ортогенез • Номогенез • Сальтационизм • Катастрофизм
Современные теории	Синтетическая теория эволюции • Теория прерывистого равновесия • Нейтральная теория молекулярной эволюции • Эволюционная биология развития • Эпигенетическая теория эволюции
Эволюция таксонов	Растения • Земноводные • Рептилии • Птицы • Млекопитающие • Китообразные • Человек
История эволюционного учения • Хронология эволюции • История жизни на Земле