Изучение автокатализа позволяет получить более четкое представление о возможности существования жизни за пределами известных нам углеродных форм. Недавние исследования показали существование неорганических автокаталитических циклов, что указывает на возможность существования жизни в абиотических средах. Эти достижения расширяют рамки астробиологии, побуждая нас переосмыслить критерии жизни в поисках внеземной жизни.
Учитывая множество исследований, стремление понять происхождение жизни и возможность ее существования за пределами нашей планеты является одним из центральных вопросов современных научных исследований. Эта тема, не являясь просто умозрительной, ставит под сомнение наши фундаментальные знания в области биологии, химии и астробиологии.
В этом контексте изучение автокатализа — механизма реакции, при котором конечный продукт выступает в роли катализатора, — позволяет по-новому взглянуть на механизмы, которые могут обеспечить возникновение жизни в неорганических и абиотических средах. Недавнее исследование ученых из Университета Висконсин-Мэдисон изучает эту возможность, расширяя спектр исследований за счет рассмотрения неуглеродных форм внеземной жизни. Результаты исследования опубликованы в журнале .
Химическое разнообразие и происхождение жизни
Бетюль Качар, астробиолог, работающий при поддержке NASA, профессор бактериологии в UW-Madison и ведущий автор исследования, поясняет в пресс-релизе: «Зарождение жизни — это процесс, который начинается из ничего. Но он не может произойти только один раз. Жизнь сводится к химии и условиям, которые могут породить схему самовоспроизводящихся реакций«.
Химические реакции, в результате которых образуются молекулы, способствующие повторному протеканию одной и той же реакции, называются автокаталитическими. Чжэнь Пенг, постдокторант лаборатории Качара, и его коллеги собрали 270 комбинаций молекул, включающих атомы из всех групп и рядов периодической таблицы, которые способны к устойчивому автокатализу.
Эти циклы особенно примечательны тем, что они не зависят от органических молекул, в отличие от известных форм жизни на Земле, которые в основном основаны на углероде. Качар отмечает: «Мы думали, что этот тип реакций очень редок. Мы показываем, что на самом деле это далеко не редкость. Просто нужно искать в правильном месте«.
Исследователи сосредоточили свое внимание на так называемых реакциях пропорциональности. В этих реакциях два соединения, состоящие из одного и того же элемента с разным числом электронов (или реактивных состояний), соединяются и образуют новое соединение, в котором элемент находится в среднем из исходных реактивных состояний.
Для того чтобы реакция была автокаталитической, ее результат должен также служить сырьем для воспроизведения самой реакции, так что результат становится новым исходным веществом, — поясняет Зак Адам, соавтор исследования. Реакции пропорциональности приводят к образованию нескольких копий некоторых участвующих в них молекул, предоставляя материалы для следующих этапов автокатализа. «При каждом цикле образуется по крайней мере один дополнительный выход, что ускоряет реакцию и делает ее еще более быстрой«, — добавляет Адам.
Последствия для поиска признаков жизни
Открытие неорганических автокаталитических циклов пролило новый свет на возможность существования жизни во Вселенной. Это открытие позволяет предположить, что жизнь в неизвестных и неорганических формах может присутствовать во множестве внеземных сред, включая те, которые радикально отличаются от Земли и которые до сих пор считались негостеприимными.
Планеты и естественные спутники в пределах нашей Солнечной системы и за ее пределами характеризуются разнообразными условиями окружающей среды, многие из которых являются экстремальными по сравнению с земными. Это и экстремальные температуры, и высокое или низкое давление, и плотные или отсутствующие атмосферы, и различный химический состав. Углеродные формы жизни, как мы их знаем, не могли бы выжить в таких условиях. Однако наличие неорганических автокаталитических циклов указывает на то, что неорганические формы жизни теоретически могут возникнуть и процветать в этих экстремальных условиях.
Такая перспектива заставляет нас задуматься о новых возможностях в поисках внеземной жизни. В настоящее время перед учеными стоит задача разработки методов поиска и разведки, способных обнаружить признаки неорганической жизни в различных внеземных средах.
Качар возглавляет поддерживаемый NASA консорциум под названием MUSE (Metal Utilization & Selection Across Eons). В ее лаборатории основное внимание будет уделено реакциям с участием элементов молибдена и железа. Она заключает: «Мы никогда не узнаем с уверенностью, что именно произошло на нашей планете для возникновения жизни. У нас нет машины времени. Но в пробирке мы можем создать несколько планетарных условий, чтобы понять, как изначально развивалась динамика, необходимая для поддержания жизни«.