Хімік з Університету Райса Джеймс Тур разом із співавторами М. К. Паркером та К. Джейнсом нещодавно опублікував у журналі BioCosmos статтю під назвою «Термодинамічні обмеження природного виникнення довголанцюгових молекул: наслідки для походження життя» (Thermodynamic Limitations on the Natural Emergence of Long Chain Molecules: Implications for Origin of Life). Дослідження показує, що білки та РНК розкладаються зі швидкістю, яка робить їх спонтанне утворення в природних, неконтрольованих умовах вкрай малоймовірним. На сьогоднішній день жоден дослідник походження життя не дав суттєвої відповіді на термодинамічні проблеми, викладені в статті.

Оцінка періоду напіврозпаду

Автори використовували статистичну теорію розпаду й кількісну геометричну термодинаміку для розрахунку констант часу розпаду білків та РНК, які безпосередньо пов'язані з їх періодом напіврозпаду – часом, необхідним для розпаду половини вихідних молекул. Дослідження показало, що константа часу розпаду приблизно дорівнює константі часу розпаду димеру (пари амінокислот або нуклеотидів, з'єднаних одинарним зв'язком), поділеної на довжину ланцюга. Іншими словами, довші ланцюги розкладаються швидше, причому постійна часу зменшується прямо пропорційно довжині ланцюга. Вони резюмують свої результати наступним чином:

«Для полімеру довжиною N мономерних ланок, або N-меру, який має постійну часу розпаду димеру t, доведено, що постійна часу розпаду полімеру близько наближається до t/N (при досить загальних припущеннях). Це має глибокі наслідки для абіогенезу, а саме: для пребіотичної послідовності конденсаційного полімеру, що служить в якості первинного інформаційного коду для останнього спільного предка, буде доступна невелика кількість часу (порядку декількох днів)».

Якщо більш точніше, період напіврозпаду дипептиду – двох амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком, як у білках – становить приблизно 7 років. Тому поліпептидний ланцюг із 200 амінокислот, типовий для багатьох функціональних білків, має період напіврозпаду всього 13 днів. Ситуація з РНК ще більш серйозна. Ланцюг з двох нуклеотидів має період напіврозпаду близько 100 днів, що означає, що нитка РНК з 200 нуклеотидів розкладається приблизно за 12 годин. Обидва класи молекул розпадаються набагато швидше, ніж вони могли б утворитися в природних умовах, що робить їх спонтанну появу вкрай малоймовірною в будь-якому сценарії неконтрольованого зародження життя».

Порівняння даних

В порівнянні з періодом напіврозпаду білка, швидкість подовження поліпептидного ланцюга в пребіотичних умовах дуже низька. Yang et al. (2025) виділяють безліч перешкод для сталого росту поліпептидів, в тому числі утворення непептидних зв'язків та циклічних структур, суворі вимоги до навколишнього середовища й несприятливі термодинамічні умови. Їх аналіз показує, що швидкість росту повинна бути набагато меншою, ніж одна додана амінокислота на ланцюг в день.

Навіть якщо припустити, що кожен день додається по одному елементу, для синтезу білка з 200 амінокислот буде потрібно більше шести місяців. Однак зростаючий ланцюг майже напевно розкладеться за набагато коротший проміжок часу. Завдання ще складніше для РНК, яка має значно коротший період напіврозпаду й зіштовхується з додатковими хімічними та структурними перешкодами під час утворення.

Проблема локалізації ще складніша. Навіть якщо життєво важливий білок з'явився в обмеженій ділянці, що містить клітину, яка розвивається, час, необхідний йому для виявлення клітини за допомогою дифузії, значно перевищує період напіврозпаду білка. Час виявлення можна оцінити за допомогою константи швидкості реакції, обмеженої дифузією за Смолуховським, k = 4πrD, де r – радіус клітини, а D – коефіцієнт дифузії білка. Середній час, необхідний білку для контакту з клітиною, дорівнює об'єму ділянки, що обмежує їх, поділеному на k.

Для типового білка час виявлення в одному літрі води склав би близько 10 000 років, що більш ніж в 100 000 разів перевищує період напіврозпаду більшості білків. Ситуація ще гірша для РНК, оскільки вона має набагато коротший період напіврозпаду. Однак сценарії походження життя вимагають набагато більших об’ємів, ніж один літр. Для синтезу будівельних блоків життя потрібно принаймні вісім різних середовищ, тому об’єм води, який білку необхідно було б дослідити, щоб знайти зародкову клітину, був би величезним. Білок ніколи не зміг би знайти шлях до місця зародження життя, перш ніж розклався б.

Майбутнє досліджень походження життя

Короткий період напіврозпаду білків та РНК, а також часові рамки, необхідні для їх утворення й локалізації, становлять непереборну перешкоду для всіх теорій про походження життя. Наведені вище розрахунки відображають неправдоподібно сприятливі ситуації. Більш реалістичні аналізи тільки поглибили б проблему. Проблема часових рамок базується на фундаментальній фізиці, що лежить в основі біомолекул й дифузії, тому рішення, мабуть, неможливе.

Дослідники, які вивчають походження життя, стоять перед вибором: вони можуть або ігнорувати ключові наукові проблеми, або розширити свої філософські припущення, включивши в них можливість того, що життя виникло під дією розумного агента. Ті, хто приймає останній підхід, можуть більш чесно ставитися до доказів, що вказують на наявність задуму навіть у найпростіших життєздатних клітинах. Цей зсув може відкрити нові шляхи для досліджень й сприяти значному прогресу в розкритті таємниць життя.