Походження життя на Землі довгий час було таємницею, яка вислизала від вчених. Ключове питання полягає в тому, яка частина історії життя на Землі загублена в часі.

Досить поширеною є ситуація, коли один вид "зникає" внаслідок біохімічної реакції, і якщо це відбувається з достатньою кількістю видів, то такі реакції можуть бути фактично "забуті" життям на Землі.

Але якщо історія біохімії рясніє забутими реакціями, чи можна якось про них дізнатися? Це питання надихнуло дослідників з Інституту наук про Землю і життя (ELSI) Токійського технологічного інституту та Каліфорнійського технологічного інституту (CalTech) у США. Вони припустили, що забута хімія може з’явитися у вигляді перерв або «розривів» на шляху хімії від простих геохімічних молекул до складних біологічних молекул.

Рання Земля була багата на прості сполуки, такі як сірководень, аміак і вуглекислий газ — молекули, які зазвичай не асоціюються з підтриманням життя. Але мільярди років тому раннє життя покладалося на ці прості молекули як на джерело сировини. З розвитком життя біохімічні процеси поступово перетворили цих попередників на сполуки, які зустрічаються і сьогодні. Ці процеси являють собою найдавніші метаболічні шляхи.

Щоб змоделювати історію біохімії, дослідникам необхідно було скласти перелік усіх відомих біохімічних реакцій.

Вони звернулися до бази даних Кіотської енциклопедії генів і геномів, яка містить понад 12 000 біохімічних реакцій. Маючи на руках реакції, вони почали моделювати поетапний розвиток метаболізму.

Попередні спроби змоделювати еволюцію метаболізму в такий спосіб постійно зазнавали невдачі, оскільки не вдавалося створити найпоширеніші, найскладніші молекули, що використовуються в сучасному житті. Однак причина була не зовсім зрозумілою. Як і раніше, коли дослідники запустили свою модель, вони виявили, що лише кілька сполук можуть бути вироблені.

Один із способів обійти цю проблему — підштовхнути хімічний процес, який зупинився, вручну ввівши сучасні сполуки. Дослідники обрали інший підхід: вони хотіли визначити, скільки реакцій не вистачає. І це полювання привело їх до однієї з найважливіших молекул у всій біохімії: аденозинтрифосфату (АТФ).

АТФ — є енергетичною валютою клітини, оскільки він може бути використаний для протікання реакцій, таких як побудова білків, які в іншому випадку не могли б відбуватися у воді. Однак АТФ має унікальну властивість: реакції, які утворюють АТФ, самі потребують АТФ. Іншими словами, якщо АТФ вже не присутній, для сучасного життя не існує іншого способу виробляти АТФ. Ця циклічна залежність була причиною зупинки моделі.

Виявляється, реакційноздатна частина АТФ напрочуд схожа на неорганічну сполуку поліфосфат. Дозволивши реакціям, що генерують АТФ, використовувати поліфосфат замість АТФ — модифікувавши всього вісім реакцій — можна було б досягти майже всього сучасного метаболізму клітини. Після цього дослідники могли б оцінити відносний вік усіх поширених метаболітів і поставити гострі питання про історію метаболічних шляхів.

Одне з таких питань полягає в тому, чи були біологічні шляхи побудовані лінійно — коли одна реакція за одною додаються послідовно — чи реакції шляхів виникли як мозаїка, в якій реакції дуже різного віку об’єднуються разом, щоб сформувати щось нове. Дослідники змогли кількісно оцінити це, виявивши, що обидва типи шляхів майже однаково поширені в усьому метаболізмі.

Але повертаючись до питання, яке надихнуло дослідження — скільки біохімії втрачено з часом?

"Можливо, ми ніколи не дізнаємося точно, але наше дослідження дало важливий доказ: лише вісім нових реакцій, які нагадують звичайні біохімічні реакції, необхідні для з’єднання геохімії та біохімії, — каже дослідник Гаррісон Сміт. — Це не доводить, що простір відсутньої біохімії невеликий, але показує, що навіть реакції, які вимерли, можуть бути заново відкриті за допомогою підказок, залишених сучасною біохімією".