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.

Гипотеза мира ПАУ объясняет как нуклеотиды могли сами сформироваться в цепочку с расстоянием 0,34 нм друг от друга для образования первичной РНК, что случайным образом является весьма маловероятным событием. Гипотеза указывает, что плоские кольцевые молекулы полициклических ароматических углеводородоров обладают эффектом самопроизвольно собираться в «стопки» с шагом 0,34 нм и присоединять к себе сбоку нуклеотиды за их азотистое основание водородными связями. Затем за счет вращения колец «стопки» происходит зацепка нуклеотидов торцами с образованием уже ковалентных связей и формирование цепочки РНК с ее типовым шагом в 0,34 нм. Гипотеза также объясняет более высокую вероятность спонтанной сборки и самих нуклеотидов, так как сначала могут присоединяться их азотистые основания, а потом олигомерный остов.

Хотя гипотеза ПАУ объясняет более высокую вероятность сборки молекул подобных РНК, она не имеет экспериментальных подтверждений. Косвенные доказательства гипотезы состоят в шаге 0,34 нм для РНК, совпадающий с шагом «стопки». Также аргументом в пользу мира ПАУ является высокая распространённость во Вселенной ПАУ и возможность получения остальных компонентов для мира ПАУ из «первичного бульона».

История Эксперимент Миллера — Юри в 1952 году продемонстрировал синтез органических молекул, таких как 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 годах 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. Более полно разработанная идея была опубликована в 2006 году группой учёных Ehrenfreund и др.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.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

Полиароматические углеводороды широко распространены в видимой Вселенной и, вероятно, были представлены в первичном бульоне ранней ЗемлиAllamandola, Louis et Al. «Cosmic Distribution of Chemical Complexity» . ПАУ, вместе с фуллеренами (или бакиболами) были обнаружены в космических туманностях. По словам астронома Летиции Стангеллини (Letizia Stanghellini), вполне возможно, что бакиболы из внешнего космоса явились семенами жизни на Земле(.

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.

Гипотеза Мира ПАУ привела к исследованиям астрономов по анализу распространённости ПАУ во Вселенной. В 2014 году НАСА опубликовало базу данных по исследованиям из которого следует, что около 20 % углерода в туманностях Вселенной представлено в виде ПАУ. ПАУ могли быть занесены из Космоса на Землю во время метеоритной бомбардировки в начале ее образования ее поверхности. Доводом в пользу этой гипотезы является обнаружение следов ПАУ на метеорите ALH 84001. По исследованию НАСА молекулы ПАУ также являются частным материалом комет. В 2018 году исследователи обнаружили процесс синтеза ПАУ в атмосфере Титана. Эти данные усиливают позиции гипотезы Мира ПАУ по сравнению с альтернативными гипотезами миров предваряющих Мир РНК, так как для гипотезы мира ПАУ доказано наличие в природе большого количества основного исходного материала.

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 состава 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 формальдегида (также представленный в первичном бульоне), который связывается с азотистыми основаниями уже ковалентными связямиPlatts, Simon Nicholas, «The PAH World — Discotic polynuclear aromatic compounds as a mesophase scaffolding at the origin of life» «Prebiotic Molecular Selection and Organization» , NASA’s Astrobiology website.

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).

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.

См. также Хронология эволюции

Примечания

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

Категория:Происхождение жизни Категория:Биологические теории