Kaip gyvenimui pavyko sudėti daugybę dalių? Bent jau pirmosioms gyvybės formoms Žemėje reikėjo informacijos kaupimo ir atkūrimo būdo. Tik tada jie gali pasidaryti savo kopijas ir pasklisti po pasaulį. Galbūt chemija suvaidino daug svarbesnį vaidmenį gyvybės kilme, nei manyta anksčiau.
Viena iš įtakingiausių hipotezių yra tai, kad viskas prasidėjo nuo RNR - molekulės, galinčios vienu metu užregistruoti genetinius įrašus ir sukelti chemines reakcijas. „RNR pasaulio“hipotezė pasireiškia įvairiomis formomis, tačiau pagal tradiciškiausią gyvenimą gyvenimas prasidėjo nuo RNR molekulės, galinčios savarankiškai daugintis, susidarymo. Jos palikuonys išsiugdė gebėjimą atlikti daugybę užduočių, tokių kaip naujų junginių gamyba ir energijos kaupimas. Laikui bėgant, po to sekė sunkus gyvenimas.
- „Salik.biz“
Tačiau mokslininkai nustatė, kad save replicuojančią RNR stebėtinai sunku sukurti laboratorijoje. Jiems pasisekė, tačiau iki šiol pagamintos molekulės gali atkurti tik tam tikros sekos ar ilgio RNR. Be to, pačios šios RNR molekulės yra gana sudėtingos, todėl kyla klausimų, kaip jos galėjo susidaryti įvykus cheminei avarijai.
Nikas Hudas, Džordžijos technologijos instituto chemikas, su kolegomis nusprendė peržengti biologiją ir ištirti galimą chemijos vaidmenį gyvybės kilmėje. Galbūt prieš atsirandant biologijai buvo išankstinis proto gyvenimo etapas, kurio metu tik cheminiai procesai sukūrė RNR ir į RNR panašių molekulių „bufetą“. „Manau, kad buvo keletas žingsnių, kurie paskatino save atkartoti ir palaikyti save“, - sako Hudas.
Pagal šį scenarijų įvairios į RNR panašios molekulės galėtų būti suformuotos spontaniškai, tai padėjo cheminiam sultiniui vienu metu išrasti daugybę detalių, reikalingų gyvenimo vystymuisi. Proto gyvybės formos buvo eksperimentuojamos su primityvia molekuline inžinerija, atskiriant ją po gabalą. Visa sistema veikė kaip milžiniškas trupinys. Tik sukūrus tokią sistemą, atsirado savarankiškai besikartojanti RNR.
Hudo pasiūlymo esmė yra cheminės priemonės, leidžiančios sukurti tokią turtingą proto gyvenimą. Kompiuterinis modeliavimas rodo, kad tam tikros cheminės sąlygos gali sudaryti įvairius į RNR panašių molekulių rinkinius. Šiuo metu komanda bando šią idėją su tikromis molekulėmis laboratorijoje ir tikisi netrukus pateikti rezultatus.
Hudo grupė atveria kelią daugybei tyrėjų, kurie ginčija tradicinę RNR pasaulio hipotezę ir jo priklausomybę nuo biologinės, o ne cheminės evoliucijos. Tradiciniame modelyje buvo sukurta nauja molekulinė inžinerija, naudojant biologinius katalizatorius - fermentus, kaip tai daroma šiuolaikinėse ląstelėse. Hudo proto gyvenimo etape daugybė RNR ar į RNR panašių molekulių galėjo būti suformuotos ir pakeistos grynai cheminėmis priemonėmis. „Cheminė evoliucija galėjo padėti pradėti gyvenimą be fermentų“, - sako Hudas.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Hudas ir jo kolegos nusprendė eiti toliau ir manyti, kad ribosoma, vienintelė biologinė inžinerija, egzistuojanti visuose gyvuose dalykuose šiandien, atsirado vien tik chemijos dėka. Tai neįprastas būdas pažvelgti į daiktus, nes daugelis mano, kad ribosoma gimė biologijos dėka.
Jei Hudo komanda gali sukurti proto-gyvybės formas tokiomis sąlygomis, kurios galėjo egzistuoti ankstyvajame Žemėje, galima manyti, kad cheminė evoliucija galėjo suvaidinti kur kas reikšmingesnį vaidmenį gyvybės kilme, nei tikėjosi mokslininkai. „Darvino evoliucija galėjo vykti prieš paprastesnę evoliucijos formą“, - sako Oregono Portlando universiteto biochemikas Nielsas Lehmanas.
Prieš Darviną buvęs pasaulis
Kai dauguma galvoja apie evoliuciją, ateina į galvą darvinų evoliucija, kurioje organizmai konkuruoja tarpusavyje dėl ribotų išteklių ir perduoda genetinę informaciją savo palikuonims. Kiekviena karta patiria genetines korekcijas, o sėkmingiausi palikuonys išgyvena perduodami savo genus. Šis evoliucijos būdas vyrauja šiuolaikiniame gyvenime.
Garsus biologas, kuris mums davė modernų gyvenimo medį, Karlas Voisas manė, kad darviniečių era buvo ankstesnė gyvenimo stadijoje, kurią valdė visiškai skirtingos evoliucijos jėgos. Voisas tikėjo, kad vienai ląstelei yra beveik neįmanoma gauti visko, ko reikia gyvai. Todėl jis įsivaizdavo daugybę įvairių egzistavimo molekulių. Užuot konkuruojusios tarpusavyje, primityviosios ląstelės pasidalino molekulinėmis naujovėmis. Šis prieš Darviną esantis sultinys sukūrė sudėtingam gyvenimui reikalingus ingredientus, sudarydamas kelią nuostabiajai menagerie, kurią šiandien matome Žemėje.
Hudo modelis dar labiau paženklina Woese'o iki Darwinian laiko matymą atgal, suteikdamas primityvioms ląstelėms chemines priemones molekulinės įvairovės sukūrimui. Viena proto gyvenimo forma galėtų sugalvoti būdą, kaip sukurti blokus, reikalingus jai pačiai sukurti, kita - būdas rasti energijos. Šis modelis nuo tradicinės RNR pasaulio hipotezės skiriasi priklausomybe nuo cheminės, o ne biologinės evoliucijos.
RNR pasaulyje pirmosios RNR molekulės dauginasi pačios, naudodamos įmontuotą fermentą ribozimą, kurį sudaro RNR. Hudo proto gyvenimo pasaulyje ši užduotis buvo atlikta tik cheminiais metodais. Pasakojimas prasideda chemine sriuba iš RNR panašių molekulių. Dauguma jų buvo trumpos, nes greičiausiai trumpos grandinės susiformuos savaime, tačiau gali būti ir ilgesnių, sudėtingų molekulių. Hudo modelyje aprašoma, kaip ilgesnės molekulės gali būti dauginamos be fermento.
Hudas mano, kad prebiotikų pasaulyje pirminis RNR sultinys išgyveno reguliarius šildymo ir aušinimo ciklus ir tapo tirštas bei klampus. Karštis atskyrė surištas RNR poras, o klampus tirpalas kurį laiką molekules laikė viena nuo kitos. Tuo tarpu nedideli RNR segmentai, tik keleto simbolių ilgio, yra pritvirtinti prie kiekvienos ilgos stygos. Šie maži segmentai buvo palaipsniui susiuvami, formuojant naują RNR grandinę, atitinkančią pradinę ilgąją sruogą. Tada ciklas vėl prasidėjo.
RNR replikacijos cheminiai keliai
Laikui bėgant, plečiantis ir augant daugybei į RNR panašių molekulių, kai kurios iš jų įgijo paprastas funkcijas, pavyzdžiui, metabolizmą. Taip pat grynos cheminės reakcijos gali sukelti molekulinę įvairovę, kad būtų sukurta ikirudvinė Woeso prigimtinio gyvenimo ragana.
Hudo grupei pavyko užbaigti ankstyvuosius reprodukcijos proceso etapus laboratorijoje, nors jie dar neišmoko, kaip klijuoti trumpus segmentus nesiimant biologinių priemonių. Jei jie galės įveikti šią kliūtį, jie sukurs universalų RNR atkūrimo būdą.
Tačiau kai kurie mokslininkai abejoja, ar cheminiu būdu vykdoma reprodukcija bus pakankamai gera, kad būtų galima atkurti Hudio aprašytą pasaulį prieš Darviną. „Nežinau, ar tuo tikiu“, - sako Paulius Higgsas, biofizikas iš McMasterio universiteto Hamiltone, Ontarijas, tiriantis gyvenimo ištakas. "Viskas turi įvykti pakankamai greitai ir tiksliai, kad būtų sukurtas nuoseklumas." T. y., Šis procesas turi generuoti naujas RNR greičiau, nei jos sunaikinamos, ir pakankamai tiksliai, kad būtų sukurtos apytikslės šablono molekulių kopijos.
Vien tik cheminių pokyčių nepakanka, kad būtų sukurtas gyvenimas. Pirminio gyvenimo sultinyje vis tiek reikėjo tam tikros atrankos, kuri užtikrintų, kad naudingos molekulės klestėtų ir daugėtųsi. Jų modelyje Hada grupė teigia, kad galėjo atsirasti ir pasklisti paprasčiausi proto enzimai, kurie pradėjo būti naudingi jų kūrėjams ir visai visuomenei. Pavyzdžiui, RNR molekulė, gaminanti daugiau statybinių blokų, davė naudos sau ir kaimynams, aprūpindama juos papildomomis žaliavomis reprodukcijai. Hudo grupės atlikti kompiuteriniai modeliavimai parodė, kad tokio tipo molekulės galėtų gerai įsišaknyti. Tai, kas praturtina sultinį, yra labai naudinga.
Ribosomų šaknys
Vieną įmanomą žvilgsnį į ik Darvinijos pasaulį galima pamatyti ribosomoje - senoviniame molekulinės technikos fragmente, kuris yra mūsų genetinio kodo pagrindas. Tai fermentas, paverčiantis RNR, koduojančią genetinę informaciją, į baltymus, kurie mūsų ląstelėse vykdo daugybę cheminių reakcijų.
Ribosomos branduolį sudaro RNR. Tai padaro ribosomą nepakartojamą - didžiąją dalį fermentų mūsų ląstelėse sudaro baltymai. Tiek ribosomų branduolys, tiek genetinis kodas yra būdingi visiems gyviesiems daiktams, o tai rodo jų egzistavimą pačioje gyvenimo evoliucijos pradžioje, galbūt dar prieš peržengiant Darvino slenkstį.
Hudas ir jo kolega Laurenas Williamsas, taip pat iš „Georgia Tech“, nurodo, kad ribosoma palaiko jų chemiškai apibrėžto pasaulio teoriją. Praėjusiais metais paskelbtame dokumente jie pateikė prieštaringai vertinamą teiginį: ribosomos šerdis buvo sukurta cheminės evoliucijos dėka. Ir jie taip pat pasiūlė, kad ji atsirado dar prieš pasirodant pirmajai savarankiškai besikartojančiai RNR molekulei. Jie sako, kad ribosomų branduolys galėjo būti sėkmingas cheminės evoliucijos eksperimentas. Po to, kai jis įsišaknijo ik Darvinijos sultinyje, jis peržengė Darvino slenkstį ir tapo svarbia viso gyvenimo dalimi.
Jų argumentai remiasi santykiniu ribosomų branduolio, oficialiai žinomo kaip peptidilo transferazės centras (PTC), paprastumu. PTC užduotis yra sudėti aminorūgštis, baltymus. Skirtingai nuo tradicinių fermentų, kurie pagreitina chemines reakcijas naudojant „protingus cheminius triukus“, jis veikia kaip sausiklis. Jis įtikina dvi aminorūgštis susirišti paprasčiausiai pašalindamas vandens molekulę. „Tai toks prastas būdas nugrimzti į reakciją“, - sako Lehmanas. "Baltyminiai fermentai paprastai remiasi galingesnėmis cheminėmis strategijomis".
Lehmanas pažymi, kad paprastumas greičiausiai viršijo galią ankstyviausiuose gyvenimo etapuose. „Kai galvoji apie gyvybės kilmę, pirmiausia turi galvoti apie paprastą chemiją; bet kuris paprasčiausios chemijos procesas greičiausiai bus senas, sako jis. "Manau, kad tai labiau įtikinamas argumentas, nei faktas, kad ji priklauso visam gyvenimui".
Nepaisant rimtų įrodymų, vis dar sunku įsivaizduoti, kaip ribosominis branduolys galėjo būti sukurtas dėl cheminės evoliucijos. Fermentas, kuris daro daugiau savęs, kaip RNR replikatorius pagal RNR pasaulio hipotezę, automatiškai sukuria uždarą kilpą, nuolat didindamas savo produktyvumą. Priešingai, ribosomų branduolys nesudaro daugiau ribosomų branduolių. Jis gamina atsitiktines amino rūgščių grandines. Neaišku, kaip šis procesas turėtų skatinti daugiau ribosomų susidarymą.
Hudas ir jo kolegos spėlioja, kad RNR ir baltymai vystėsi kartu, ir kas sugalvojo, kaip dirbti kartu, išgyveno. Šiai idėjai trūksta RNR pasaulio paprastumo, kuris postuluoja egzistuojančią vieną molekulę, gebančią tuo pat metu koduoti informaciją ir katalizuoti chemines reakcijas. Tačiau Hudas mano kitaip: būtent sudėtingumas prideda gyvenimo elegancijos eleganciją.
„Manau, kad visada buvo per daug pabrėžiamas paprastumas, kad vienas polimeras yra geresnis už du“, - sako jis. „Gali būti lengviau sulaukti konkrečių reakcijų, jei abu polimerai veikia kartu. Polimerams nuo pat pradžių buvo lengviau dirbti kartu. “
Remiantis žurnalo „Quanta“medžiaga