О происхождении жизни

Популярная гипотеза «Мира РНК» (рибонуклеиновых кислот), в которой РНК рассматриваются в качестве основной молекулы жизни, оставляет открытым вопрос, откуда появились первые РНК в достаточном количестве, чтобы запустить процесс их размножения в результате автокаталитических реакций. Дело в то, что РНК представляет собой длинный биополимер, к тому же, весьма, нестабильный, быстро распадающийся в растворах.

Второй вопрос, откуда первые РНК взяли для своего синтеза фосфаты, которые связывают в полимер  молекулы рибозы.

Размышляя на эту тему, первым делом, я обратил свое внимание на минерал апатит, который представляет собой фосфат кальция. Не мог ли апатит быть источником фосфатов для синтеза нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), а также для синтеза фосфолипидов, из которых состоят мембраны клеток. В природе довольно много апатита. Можно вспомнить целые горы из него на Кольском полуострове — Хибины. Интересно, что гидроксиапатит  составляет основу наших костей, которые состоят из него на 60-70%, т. е. этот минерал играет важную биологическую роль.

Поиски материала на тему связи минерала апатита с жизнью, сначала вывели меня на нанобактерии, или кальцинирующие наночастицы, представляющие собой частицы апатита размером порядка 20 нм и более, очень медленно размножающиеся, не имеющие ДНК и РНК, но умеющие синтезировать белки. Кальцинирующие наночастицы вызывают кальцинирование сосудов, клапанов, простаты и пр. Они являются опасными патогенами.
Может быть, они и являются искомым звеном, связывающим миры живого и неживого?

Дальнейшие поски по сети привели меня к удивительному открытию. Открытию работ биолога Э.Я. Костецкого, опубликованных в  2008 году:

Костецкий Э.Я. Как возникла жизнь Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов.
Часть 1/ Э.Я. Костецкий // Вестник ТГЭУ. 2008. № 1. С. 79–101.
Часть 2 / Э.Я. Костецкий // Вестник ТГЭУ. 2008. № 2. С. 86–103.

Работы находятся в свободном доступе.  Далее цитаты в кавычках из  статей Э.Я.Костецкого. Первые работы Э.Я.Костецкого с соавторами на эту тему относятся к 1981 году.

Автором предложена модель, объясняющая появление биомолекул ДНК, РНК, белков  в кристаллах апатита, гидроксиапатита и кальцита в условиях древней Земли приблизительно 4 млрд. лет назад, еще до появления океанов. Кристаллическая структура апатита с расположенными внутри ее фосфатами служила матрицей для сборки первых ДНК. Органическая составляющая ДНК — рибоза, пурины и пиримидины, синтезировались из простых газов — метана, аммиака, воды, водорода и циановодорода и их радикалов, восходящих из недр Земли и проходящих (диффундирующих) сквозь кристаллы апатита "по свободным полостям или каналам в структуре апатита, либо по границе кристаллических зерен, размещаясь в свободном объеме кристалла и замещая атомы или вакансии в кристаллической решетке в безводной фазе". Дефекты кристаллической решетки в избытке создавались на поверхности  ионизирующим и ультрафиолетовым излучениями и затем мигрировали вглубь кристаллов, создавая вакансии по всему объему.

«Предполагается, что синтез нуклеиновых кислот начинался с образования d-рибоз, положение которых фиксировалось фосфат — группами кристалла апатита.»

Шаг спирали ДНК совпадает с шагом кристаллической решетки апатита (размером элементарной ячейки) — 0,34 нм. Порядок, который несет в себе молекула ДНК, является отражением порядка кристалла апатита. Позвоночные синтезируют минеральные составляющие (гидроксиапатиты) своих организмов - скелет и зубы, на основе органической матрицы. Для понимания процесса возникновения жизни достаточно обратить процесс и представить себе картину синтеза молекул жизни на основе минеральной матрицы апатита.

"Расположение фосфатных групп в кристалле апатита сходно с их расположением в Z-форме ДНК (Z-ДНК связана с процессом транскрипции; она образуется из В-ДНК без разрыва двойной спирали после начала транскрипции). Соответствие кристаллохимической характеристики апатита с характеристикой Z-формы ДНК выражается в следующем: возможность выбора в апатите левой спирали из фосфатов; сходство расстояний от оси в апатите и ДНК (около 9 А); одинаковое количество фосфатных остатков, приходящееся на один оборот (12 пар); шаг спирали ДНК в Z-форме 44,6 А, или 12 пар нуклеотидов, хорошо соответствует высоте 6 элементарных ячеек (43,3 А); поворот цепей полиэдров в апатите на 30 угловых градусов и период трансляции 3,4 А согласуется с поворотом спирали Z формы ДНК на один нуклеотид (30 угловых градусов) и проекцией нуклеотида на ось спирали (3,4-3,7 А); расстояние между атомами фосфора комплементарных пар в Z-форме для d(ГфЦ) – 15 А – и d(ЦфГ) – 12,5 А – близки к расстояниям между соответствующими фосфатами в апатите (15,3 и 13,1 А); расстояние между атомами фосфора, соответствующими одной «полинуклеотидной цепи» в апатите, близко к расстоянию в нуклеиновой кислоте (~6А)"

Таким образом, структура ДНК повторяет структуру минерала апатита.

Применительно к происхождению жизни к тем же кристаллам может восходить энергетика на фосфатах, роль кальция в регуляции процессов в живых системах и т.д. Весьма интересным представляется механизм образования гидроксилапатита в митохондриях в обмен на окислительное фосфорилирование АДФ. Энергетическое перенесение электрона может использоваться митохондриями либо для образования гидроксилапатита, либо для синтеза АТФ (т.е. либо жизнь, либо возврат к минералу). Такая способность митохондрий дает им возможность участвовать в процессах биологического кальцинирования и декальцинирования, т.е. общей регуляции метаболизма в клетке.»


P.S. Elementy.ru сообщает: 
"Австралийские ученые вместе с коллегой из Англии, продолжив свои многолетние исследования осадочных пород зеленокаменного пояса Исуа в Гренландии, нашли недостающее доказательство существования древнейшей микробной жизни. В новом местонахождении, открывшемся на месте растаявшего ледника, они обнаружили слоистые структуры, по форме и элементному составу сходные с известными строматолитовыми постройками архея. Их возраст составляет 3,7 млрд лет, и это самые древние из известных на сегодня свидетельств жизни."

"С 1996 года, когда в осадочных графитовых зернах из апатитов Исуа были найдены следы фракционирования изотопов углерода, утвердилось мнение, что именно это и есть древнейшее свидетельство земной жизни."

Следы древнейшей жизни были найдены в апатитах.
"сами минералы (апатиты), которые послужили материалом для исследования, по всей видимости, не осадочного происхождения (J. S. Mayers, 2001. Protoliths of the 3.8–3.7 Ga Isua greenstone belt, West Greenland)."

Вот оно настоящее свидетельство первой жизни! В апатитах не осадочного происхождения найден углерод органического происхождения!

Жизнь возникла закономерно внутри минеральной матрицы апатита и некоторых других минералов. С появлением на Земле воды в жидкой фазе и после разрушения этой минеральной матрицы жизнь продолжила свое развитие в водной среде в форме клеток, повторяя, в значительной степени, поведение кристалла-прародителя.

P.P.S. Относительно недавно было обнаружено, что при определенных условиях сама ДНК может образовывать кристаллы:

Ученые обнаружили способность ДНК-фрагментов самостоятельно собираться в растворе в короткие цепочки и формировать жидкие кристаллы. В работе приняли участие исследователи Миланского Университета и Колорадского Университета в Боулдере. Статья опубликована в Nature Communications.

В эксперименте исследователи использовали водный раствор с высокой концентрацией коротких олигомеров ДНК и РНК. В составе раствора присутствовал водорастворимый связывающий агент 1-этил-3(3-диэтиламинопропил) карбодиимид. Он отвечал за формирование связи между фосфатными и гидроксильными концами олигонуклеотидов. Отдельные цепочки ДНК (однонитевые олигомеры) формировали в растворе дуплексы, которые затем связывались между собой в области тупых концов. Полученные  агрегаты собирались в упорядоченную структуру - жидкокристаллическую фазу"nplus1.ru

Еще одно исследование.
"23.09.2012 Ученые получили кристаллы из фрагментов молекул ДНК. Ученые США научились получать кристаллы на основе трехмерных структур из фрагментов молекул ДНК...
Ведущий автор исследования, профессор Нед Симан (Ned Seeman) из Нью-Йоркского университета, предположил возможность создания таких структур еще 30 лет назад, занимаясь изучением строения сложных биологических молекул. Для изучения таких соединений их необходимо получить в форме кристаллов, в которых все молекулы занимают упорядоченные позиции и одинаково ориентированы в пространстве.
Однако получить сложные органические соединения в форме кристаллов удается далеко не всегда, поэтому Симан предложил помещать их в некую каркасную структуру, имеющую полости, подходящие по размерам тем или иным исследуемым молекулам. Теперь ученому удалось показать, что такая каркасная структура может быть создана на основе отрезков молекул ДНК. Авторам статьи удалось получить кристаллы на основе подобных структур, имеющие размеры порядка 0,25 миллиметра"earth-chronicles.ru

Таким образом, ученые заставили ДНК вспомнить свое кристаллическое прошлое, когда она была синтезирована на кристаллической решетке минерала апатита.