Биохимики из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл оценили зависимость скорости некоторых реакций, вызывающих мутации в ДНК, от температуры окружающей среды. Одна из наиболее распространённых таких реакций — дезаминирование цитозина — при 100 градусах по Цельсию (примерно такой была температура поверхности Земли в момент появления на ней жизни) идёт в 4000 раз быстрее, чем при 25 градусах по Цельсию. А это значит, что и эволюция организмов на заре жизни шла значительно быстрее, чем после остывания планеты, которое происходило очень быстро, по экспоненте. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Считается, что механизм эволюции таков: любой организм обладает некоторой генетической информацией. Она закодирована в последовательности нуклеотидов молекул ДНК. Каждое изменение такой последовательности влияет на генетическую информацию и может называться мутацией. Мутации могут принести организму пользу, вред или остаться незамеченными. Влияние каждой мутации на судьбу организма зависит от условий, в которых тот находится. Иными словами, одно и то же изменение последовательности ДНК в различных жизненных условиях может обернуться как полезным, так и вредным. Полезные мутации чаще передаются по наследству и помогают потомкам организма-мутанта быть лучше других приспособленными к окружающей среде.
Мутации повышают генетическое разнообразие живых организмов, а чем это разнообразие выше, тем теоретически быстрее должна идти биологическая эволюция. Поэтому убыстрение химических реакций, вызывающих изменение последовательностей ДНК, ускоряет эволюцию. Одна из таких реакций — дезаминирование цитозина. В ходе неё цитозин (один из четырёх типов нуклеотидов — составляющих ДНК) превращается в урацил (нуклеотид, который в норме в ДНК не встречается). Как выяснили американские биохимики, скорость этой реакции очень сильно зависит от температуры. При повышении температуры на 4 градуса Цельсия дезаминирование цитозина ускоряется в 10 раз. Другие похожие реакции, приводящие к появлению мутаций, ускоряются при повышении температуры не в меньшей, а иногда даже в большей степени.
Считается, что в момент зарождения жизни на Земле (около 4,1 миллиардов лет назад) температура поверхности планеты была близка к температуре кипения воды — 100 градусам Цельсия. То есть реакция дезаминирования цитозина (а вместе с ней и эволюция организмов) в то время шла в 4000 раз быстрее, чем при комфортной для жизни температуре 25 градусов Цельсия. Предполагается, что поверхность планеты остывала согласно закону охлаждения Ньютона, то есть температура сначала снижалась очень быстро, по экспоненте. Это означает, что около половины всех мутаций ДНК появились в первые 200 миллионов лет, а за первые 2 миллиарда лет существования жизни произошло 99,4 процента всех мутаций. Затем и охлаждение планеты, и эволюция происходили гораздо медленнее.
