Химик из Университета Райса Джеймс Тур вместе с соавторами М. К. Паркером и К. Джейнсом недавно опубликовал в журнале BioCosmos статью под названием «Термодинамические ограничения естественного появления длинноцепочных молекул: последствия для происхождения жизни» (Thermodynamic Limitations on the Natural Emergence of Long Chain Molecules: Implications for Origin of Life). Исследование показывает, что белки и РНК разлагаются со скоростью, которая делает их спонтанное образование в естественных, неконтролируемых условиях крайне маловероятным. На сегодняшний день ни один исследователь происхождения жизни не дал существенного ответа на термодинамические проблемы, изложенные в статье.

Оценка периода полураспада

Авторы использовали статистическую теорию распада и количественную геометрическую термодинамику для расчета констант времени распада белков и РНК, которые напрямую связаны с их периодом полураспада – временем, необходимым для распада половины исходных молекул. Исследование показало, что константа времени распада приблизительно равна константе времени распада димера (пары аминокислот или нуклеотидов, соединенных одинарной связью), деленной на длину цепи. Другими словами, более длинные цепи разлагаются быстрее, причем постоянная времени уменьшается прямо пропорционально длине цепи. Они резюмируют свои результаты следующим образом:

«Для полимера длиной N мономерных звеньев, или N-мер, который имеет постоянную времени распада димера t, доказано, что постоянная времени распада полимера близко приближается к t/N (при довольно общих допущениях). Это имеет глубокие последствия для абиогенеза, а именно: для пребиотической последовательности конденсационного полимера, служащей в качестве первичного информационного кода для последнего общего предка, будет доступно небольшое количество времени (порядка нескольких дней)».

Точнее говоря, период полураспада дипептида – двух аминокислот, соединенных пептидной связью, как в белках – составляет примерно 7 лет. Поэтому полипептидная цепь из 200 аминокислот, типичная для многих функциональных белков, имеет период полураспада всего 13 дней. Ситуация с РНК еще более серьезна. Цепь из двух нуклеотидов имеет период полураспада около 100 дней, что означает, что нить РНК из 200 нуклеотидов разлагается примерно за 12 часов. Оба класса молекул распадаются гораздо быстрее, чем они могли бы образоваться в естественных условиях, что делает их спонтанное появление крайне маловероятным в любом сценарии неконтролируемого зарождения жизни».

Сравнение данных

По сравнению с периодом полураспада белка, скорость удлинения полипептидной цепи в пребиотических условиях очень низка. Yang et al. (2025) выделяют множество препятствий для устойчивого роста полипептидов, в том числе образование непептидных связей и циклических структур, строгие требования к окружающей среде и неблагоприятные термодинамические условия. Их анализ показывает, что скорость роста должна быть намного меньше, чем одна добавленная аминокислота на цепь в день.

Даже если предположить, что каждый день добавляется по одному элементу, для синтеза белка из 200 аминокислот потребуется более шести месяцев. Однако растущая цепь почти наверняка разложится за гораздо более короткий промежуток времени. Задача еще сложнее для РНК, которая имеет значительно более короткий период полураспада и сталкивается с дополнительными химическими и структурными препятствиями во время образования.

Проблема локализации еще более сложна. Даже если жизненно важный белок появился в ограниченной области, содержащей развивающуюся клетку, время, необходимое ему для обнаружения клетки посредством диффузии, значительно превышает период полураспада белка. Время обнаружения можно оценить с помощью константы скорости реакции, ограниченной диффузией по Смолуховскому, k = 4πrD, где r – радиус клетки, а D – коэффициент диффузии белка. Среднее время, необходимое белку для контакта с клеткой, равно объему области, ограничивающей их, деленному на k.

Для типичного белка время обнаружения в одном литре воды составило бы порядка 10 000 лет, что более чем в 100 000 раз превышает период полураспада большинства белков. Ситуация еще хуже для РНК, поскольку она имеет гораздо более короткий период полураспада. Однако сценарии происхождения жизни требуют гораздо больших объемов, чем один литр. Для синтеза строительных блоков жизни требуется по крайней мере восемь различных сред, поэтому объем воды, который белку необходимо было бы исследовать, чтобы найти зарождающуюся клетку, был бы огромным. Белок никогда не смог бы найти путь к месту зарождения жизни, прежде чем разложился бы.

Будущее исследований происхождения жизни

Короткий период полураспада белков и РНК, а также временные рамки, необходимые для их образования и локализации, представляют собой непреодолимое препятствие для всех теорий о происхождении жизни. Приведенные выше расчеты отражают неправдоподобно благоприятные ситуации. Более реалистичные анализы только усугубили бы проблему. Проблема временных рамок основана на фундаментальной физике, лежащей в основе биомолекул и диффузии, поэтому решение, по-видимому, невозможно.

Исследователи, изучающие происхождение жизни, стоят перед выбором: они могут либо игнорировать ключевые научные проблемы, либо расширить свои философские предположения, включив в них возможность того, что жизнь возникла под действием разумного агента. Те, кто принимает последний подход, могут более честно относиться к доказательствам, указывающим на наличие замысла даже в самых простых жизнеспособных клетках. Этот сдвиг может открыть новые пути для исследований и способствовать значимому прогрессу в раскрытии тайн жизни.