Ученые на шаг приблизились к разгадке появления жизни на Земле
Дерево, как пример развития от простого к сложному, традиционно считается символом эволюции
Команда ученых из Гарварда приблизила нас к ответу на основной вопрос биологии — как зародилась жизнь на Земле, синтезировав подобные клеткам химические системы, которые имитируют метаболизм, размножение и эволюцию.
Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Как считает автор исследования Хуан Перес-Меркадер (Juan Pérez-Mercader), старший научный сотрудник отдела наук о Земле и планетах и участник проекта «Происхождение жизни», это первый случай, когда кому-либо удалось создать структуру, обладающую свойствами жизни, из однородной субстанции, лишенной какого-либо сходства с естественной жизнью. Исследователь добавил, что очень впечатлен достижением своей команды.
По словам профессора астрономии Димитра Сасселова, директора проекта «Происхождение жизни», работа демонстрирует, как самовоссоздающаяся система может быть сконструирована из простых молекул.
Самыми ранними известными свидетельствами существования жизни являются крошечные окаменелости прокариотических микроорганизмов возрастом около 3,8 миллиардов лет. Но их открытие вряд ли разрешило загадку о том, как и когда зародилась жизнь. Какие простые биологические молекулы дали начало клеткам? Было ли это единое происхождение или множественные события? Зародилась ли жизнь на Земле или на другой планете?
Эти вопросы веками ставили биологов в тупик. Чарльз Дарвин предположил, что жизнь зародилась в «маленьком теплом пруду», а затем каким-то образом приняла различные формы.
В 1950-х годах Стэнли Миллер и нобелевский лауреат Гарольд Юри провели эксперименты в Чикагском университете, в ходе которых они смоделировали условия первобытной Земли — атмосферу из метана, аммиака, водорода и воды с электрическими разрядами молний — и получили аминокислоты, органические молекулы, которые образуют строительные блоки белков.
Вот в эту дискуссию великих и вмешался Перес-Меркадер, энергичный ученый, который называет себя «77-летним ребенком». По образованию физик-теоретик, он в начале своей карьеры занимался исследованиями теорий великого объединения, суперсимметрии, супергравитации и суперструн.
В 1990-х годах Перес-Меркадер в сотрудничестве с NASA основал Центр астробиологии в Мадриде, а также курировал участие Испании в марсианском проекте NASA. В 2010 году он приехал в Гарвард с еще одним грандиозным проектом. «Я пытаюсь понять, почему здесь существует жизнь», — повторял он.
Все формы жизни имеют несколько общих черт: они обрабатывают химическую информацию, усваивают ту или иную форму энергии (например, потребляют пищу или осуществляют фотосинтез) для поддержания жизнедеятельности и создания частей тела, размножения и эволюции в ответ на изменения окружающей среды.
Перес-Меркадер разработал математические уравнения для основных разделов физики, химии и биологии и использовал их в качестве руководства для синтеза искусственной жизни in vitro.
В течение многих лет эти усилия оставались теоретическими исследованиями без экспериментальной демонстрации. Затем произошел лабораторный прорыв с появлением «самосборки» на основе полимеризации — процесса, при котором неупорядоченные наночастицы группируются в структурированные объекты. Размеры этих объектов не превышают миллионных долей метра, но это именно сложные организованные объекты, а не разрозненные молекулы.
В новом исследовании команда продемонстрировала, как жизнь может зародиться из материалов, подобных тем, которые доступны в межзвездной среде — облаков газов и твердых частиц, оставшихся в результате эволюции звезд в галактике, а также энергии излучения звезд. Лабораторной версией «маленького теплого пруда» Дарвина служила пробирка.
Команда ученых смешала четыре простых органических вещества, не имеющих отношения к биохимии, с водой в стеклянных сосудах, окруженных зелеными светодиодными лампами. Внешне это было похоже на праздничные гирлянды. Когда включался свет, смесь вступала в реакцию и образовывала так называемые амфифилы, или молекулы с гидрофобными (не переносящими воду) и гидрофильными (любящими воду) частями.
За счет сил поверхностного натяжения молекулы самоорганизовались в шарообразные структуры, называемые мицеллами. Эти структуры удерживали жидкость внутри, где она приобретала другой химический состав и превращалась в похожие на клетки «пузырьки», или наполненные жидкостью мешочки.
В конце концов, пузырьки выбрасывали больше амфифилов, похожих на споры, или просто лопались, и свободные компоненты образовывали новые поколения структур, еще более похожих на клетки. Число выделяющихся «спор» росло, причем они понемногу стали отличаться друг от друга. Некоторые из них с большей вероятностью выживали и размножались — таким образом, моделируя то, что исследователи назвали «механизмом свободной наследственной изменчивости» — основой дарвиновской теории эволюции.
Стивен Флетчер, профессор химии Оксфордского университета, который лично не принимал участия в новом исследовании, но проводил аналогичные эксперименты, сказал, что публикация PNAS открывает новый путь для создания синтетических самовоспроизводящихся систем. В прошлых экспериментах такие результаты достигались с помощью более сложных методов и с гораздо меньшей доказательной эффективностью.
Флетчер отмечает, что поведение, похожее на поведение живых существ, может наблюдаться у простых органических веществ, которые не имеют отношения к биологии, более или менее спонтанно, лишь при воздействии видимого света.
Перес-Меркадер описывает этот эксперимент более эмоционально. Он уверен, что нашел модель зарождения жизни около 4 миллиардов лет назад. По его расчетам, такая система могла развиться химическим путем и дать начало «последнему универсальному общему предку» (the last universal common ancestor или сокращенно LUCA) — изначальной форме, породившей всю последующую жизнь.
О современном родственнике Луки из минеральной воды «Ессентуки» читайте в материале Hi-Tech Mail.
Большой адронный коллайдер на ладони: ученые создают революционный квантовый чип
Инженеры из Денвера создали вещь, которая может перевернуть представление о границах науки. Они разработали миниатюрный прибор из кремния, который генерирует поля колоссальной мощности. Раньше для этого нужны были сооружения длиной в десятки километров, а теперь все умещается на пластинке размером с монету. С открытием эксперты заговорили о гамма-лазерах, точном удалении опухолей и полном понимании устройства самой Вселенной.
Разработки ведутся в лаборатории университета Колорадо. Новая технология имитирует процессы, которые происходят в ускорителях вроде ЦЕРНа. Принцип основан на поведении квантового электронного газа — внутри кремниевой структуры электроны двигаются с огромной скоростью. Эти колебания формируют электромагнитные импульсы, которые раньше можно было получить только в гигантских установках. Сейчас для этого достаточно чипа, который помещается в карман.
Главное достоинство — установка устойчива к температурной нагрузке. Встроенные микроканалы распределяют тепло, а специальный кристаллический каркас сохраняет целостность схемы при экстремальных режимах. Благодаря этому ученые могут наблюдать мельчайшие процессы, не рискуя повредить образец. Новая система позволяет заглянуть внутрь атомного ядра и изучать то, что раньше скрывалось от глаз — взаимодействие частиц, перенос энергии, строение материи.
В основе проекта — многолетние наработки профессора Сахаи, который с 2018-го года занимается исследованиями на стыке инженерии и физики плазмы. Вместе с аспирантом они предложили концепцию и реализовали ее, тестируя прототип в национальной лаборатории Стэнфорда. Работа потребовала точной настройки и множества испытаний. Только со временем удалось добиться стабильной работы.
Изобретение уже запатентовано. Разработка заинтересовала ведущие научные журналы и получила высокую оценку специалистов. По мнению авторов, с помощью этой технологии можно будет воздействовать на раковые клетки с точностью до субатомного уровня. Потенциально ноу-хау поможет лечить болезни, не затрагивая здоровые участки тела. Систему планируют довести до серийного образца.
У прибора есть и фундаментальная ценность. Если теория мультивселенных окажется правдой, подобные методы позволят найти доказательства ее существования.
На сегодняшний день прямых аналогов такой технологии в мире почти нет. В Японии, Германии и США ведутся работы с так называемыми лазерными ускорителями, но они пока далеки от чипа, который можно уместить на ладони.
Ранее мы писали о том, что создан новый материал для сверхбыстрых оптических чипов и транзисторов.
Физики открыли новое состояние квантовой материи
Это достижение стало результатом работы команды специалистов из Калифорнийского университета в Ирвайне под руководством профессора физики Луиса А. Хауреги. По словам ученых, новое состояние материи — это не просто теоретическая модель: его впервые удалось зафиксировать экспериментально, что делает открытие по-настоящему уникальным.
Новое квантовое состояние можно сравнить с одним из агрегатных состояний вещества — твердое, жидкое или газообразное — только в мире субатомных частиц. Оно возникает в результате необычного взаимодействия электронов и их противоположностей — так называемых дырок. В этом состоянии электроны и дырки не просто взаимодействуют, но спонтанно объединяются в пары, образуя экзотические квазичастицы — экситоны. Особенность этих экситонов в том, что их спины направлены в одну и ту же сторону, чего ранее никто не наблюдал. Если бы можно было держать это вещество в руках, по словам Хауреги, оно светилось бы ярким светом с высокой частотой.
Для того чтобы зафиксировать это состояние, физикам пришлось создать особый материал — пентателлурид гафния, который был синтезирован в лаборатории университета постдокторантом Цзинью Лю и его коллегами. Далее материал подвергли воздействию экстремально сильного магнитного поля — до 70 Тесла, что в сотни раз превышает силу поля обычного бытового магнита. Этот эксперимент проводился в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. Именно в этих условиях материал внезапно терял свою способность проводить электрический ток, что указывало на его переход в новое квантовое состояние.
Хауреги подчеркивает, что это открытие может полностью изменить существующий подход к разработке энергоэффективной электроники. В традиционных материалах сигналы передаются с помощью электрического заряда, но в новом веществе вместо электричества можно использовать спин частиц, то есть, направление их квантового вращения, что позволит существенно снизить энергопотребление. Подобная технология лежит в основе перспективного направления спинтроники и квантовых вычислений.
Еще одно важное свойство нового материала — его устойчивость к радиации. Это делает его особенно перспективным для применения в условиях космоса, где высокая радиационная нагрузка может выводить из строя обычную электронику. В контексте растущего интереса к пилотируемым миссиям, например, на Марс, подобные решения становятся критически важными. «Если мы хотим, чтобы компьютеры в космосе работали долго, наше открытие может стать одним из возможных решений», — отмечает Хауреги.
Пока что ученые не до конца понимают весь спектр потенциальных применений этого состояния материи, но они уверены, что оно может лечь в основу принципиально нового направления в физике конденсированных сред.
Ранее ученые впервые в истории продемонстрировали кубит антиматерии.
Свежие комментарии