Kā dzīvei izdevās salikt neskaitāmas detaļas? Vismaz pirmajām dzīvības formām uz Zemes bija nepieciešams veids, kā uzglabāt un pavairot informāciju. Tikai tad viņi var nokopēt sevi un izplatīties visā pasaulē. Varbūt ķīmijai bija daudz nozīmīgāka loma dzīves izcelsmē, nekā tika domāts iepriekš.
Viena no ietekmīgākajām hipotēzēm ir tā, ka viss sākās ar RNS - molekulu, kas vienlaikus var reģistrēt ģenētiskos ierakstus un izraisīt ķīmiskās reakcijas. "RNS pasaules" hipotēze izpaužas daudzos veidos, taču saskaņā ar tradicionālāko dzīvi dzīve sākās ar tādas RNS molekulas veidošanos, kura spēja sevi reproducēt. Viņas pēcnācēji attīstīja spēju veikt daudzus uzdevumus, piemēram, radīt jaunus savienojumus un uzglabāt enerģiju. Laika gaitā sekoja grūta dzīve.
Tomēr zinātnieki ir atklājuši, ka patstāvīgi replicējošos RNS ir pārsteidzoši grūti izveidot laboratorijā. Viņiem tas ir izdevies, taču līdz šim izgatavotās kandidātu molekulas var reproducēt tikai noteiktas secības vai garuma RNS. Turklāt pašas šīs RNS molekulas ir diezgan sarežģītas, kas rada jautājumus par to, kā tās varēja veidoties ķīmiskas avārijas gribas rezultātā.
Niks Huds, Džordžijas Tehnoloģiju institūta ķīmiķis un viņa kolēģi, nolēma pārsniegt bioloģiju un izpētīt ķīmijas iespējamo lomu dzīvības izcelsmē. Iespējams, pirms bioloģijas parādīšanās bija sākotnējais proto dzīves posms, kurā tikai ķīmiskie procesi izveidoja RNS un RNS līdzīgu molekulu "bufeti". "Es domāju, ka bija diezgan daudz soļu, kas noveda pie sevi replicējošas, sevi uzturošas sistēmas," saka Huds.
Šajā scenārijā dažādas RNS līdzīgas molekulas varētu veidoties spontāni, palīdzot ķīmiskajam buljonam vienlaicīgi izgudrot daudzas dzīves attīstībai nepieciešamās detaļas. Proto dzīvības formas, kurās eksperimentēts ar primitīvu molekulāro inženieriju, atdalot to pa gabalu. Visa sistēma darbojās kā milzu simpātija. Tikai tad, kad tika izveidota šāda sistēma, radās pašreplikējoša RNS.
Huda priekšlikuma centrā ir ķīmiskie līdzekļi, lai radītu tik daudzveidīgu proto dzīvību. Datorsimulācijas rāda, ka atsevišķi ķīmiskie apstākļi var radīt daudzveidīgu RNS līdzīgu molekulu kolekciju. Komanda šobrīd izmēģina šo ideju ar reālām molekulām laboratorijā un cer drīzumā parādīt rezultātus.
Huda grupa paver ceļu vairākiem pētniekiem, kuri apstrīd tradicionālās RNS pasaules hipotēzes un tās atkarību no bioloģiskās, nevis ķīmiskās evolūcijas. Tradicionālajā modelī tika izveidota jauna molekulārā inženierija, izmantojot bioloģiskos katalizatorus - fermentus - kā tas notiek mūsdienu šūnās. Huda protozaļas stadijā, izmantojot tīri ķīmiskus līdzekļus, varēja izveidot un mainīt neskaitāmas RNS vai RNS līdzīgas molekulas. "Ķīmiskā evolūcija varēja palīdzēt sākt dzīvi bez fermentiem," saka Huds.
Reklāmas video:
Huds un viņa kolēģi nolēma iet tālāk un pieņemt, ka ribosomas, kas ir vienīgā bioloģiskās inženierijas sastāvdaļa, kas mūsdienās ir sastopama visās dzīvajās lietās, pilnībā nāk no ķīmijas. Tas ir neparasts veids, kā aplūkot lietas, jo daudzi uzskata, ka ribosoma ir dzimusi bioloģijas dēļ.
Ja Huda komanda var radīt proto dzīvības formas apstākļos, kas varētu būt pastāvējuši Zemes agrīnajā daļā, var pieņemt, ka ķīmiskajai evolūcijai dzīvības izcelsmē varētu būt bijusi daudz nozīmīgāka loma, nekā gaidīja zinātnieki. "Darvinistu evolūcijai, iespējams, sekoja evolūcijas vienkāršāka forma," saka Oregonas Portlendas universitātes bioķīmiķis Nīls Lehmans.
Pirmsdārvinistu pasaule
Kad lielākā daļa domā par evolūciju, nāk prātā darvinistu evolūcija, kurā organismi konkurē savā starpā par ierobežotiem resursiem un nodod ģenētisko informāciju saviem pēcnācējiem. Katrā paaudzē notiek ģenētiskas korekcijas, un veiksmīgākie pēcnācēji izdzīvo, lai nodotu savus gēnus. Šis evolūcijas veids dominē mūsdienu dzīvē.
Kārlis Voiss, slavenais biologs, kurš deva mums moderno dzīves koku, uzskatīja, ka Darvinu laikmetam ir raksturīgs agrīns dzīves posms, kuru pārvalda pilnīgi dažādi evolūcijas spēki. Vese uzskatīja, ka vienai šūnai būs gandrīz neiespējami iegūt visu nepieciešamo, lai dzīvotu. Tāpēc viņš iedomājās daudzveidīgu molekulu daudzveidību, kas iesaistīta kopienas pastāvēšanā. Tā vietā, lai konkurētu savā starpā, primitīvās šūnas dalījās molekulārajos jauninājumos. Šis pirmsdārviniešu buljons radīja sarežģītai dzīvei nepieciešamās sastāvdaļas, paverot ceļu krāšņajai meitenei, ko šodien redzam uz Zemes.
Huda modelis aizved Vese pirms-darvinistu laika redzējumu vēl ilgāk, nodrošinot primitīvas šūnas ar ķīmiskiem līdzekļiem, lai radītu molekulāro daudzveidību. Vienā no proto dzīves formām varētu būt veids, kā izveidot blokus, kas nepieciešami, lai izveidotu sevi, cits varētu atrast veidu, kā iegūt enerģiju. Šis modelis atšķiras no tradicionālās RNS pasaules hipotēzes ar tā atkarību no ķīmiskās, nevis bioloģiskās evolūcijas.
RNS pasaulē pirmās RNS molekulas reproducē sevi, izmantojot iebūvēto enzīmu ribozīmu, kas sastāv no RNS. Huda proto dzīves pasaulē šo uzdevumu veica tikai ar ķīmiskām metodēm. Stāsts sākas ar RNS līdzīgu molekulu ķīmisku zupu. Lielākā daļa bija īsas, jo īsās ķēdes, visticamāk, veidosies spontāni, taču varētu būt arī garākas, sarežģītas molekulas. Huda modelis apraksta, kā ilgāk molekulas varētu reproducēt bez fermenta palīdzības.
Huds uzskata, ka prebiotiskajā pasaulē primārais RNS buljons iziet regulārus sildīšanas un dzesēšanas ciklus un kļuva biezs un viskozs. Siltums atdalīja saistītos RNS pārus, un viskozais šķīdums kādu laiku molekulas šķīra. Tikmēr maziem RNS segmentiem, tikai dažu rakstzīmju garumā, ir pievienota katra garā virkne. Šie mazie segmenti tika pakāpeniski sašūti kopā, veidojot jaunu RNS virkni, kas atbilst oriģinālajai garajai virknei. Tad cikls sākās no jauna.
RNS replikācijas ķīmiskie ceļi
Laika gaitā, paplašinoties un pieaugot dažādu RNS līdzīgu molekulu buljonam, dažas no tām ieguva vienkāršas funkcijas, piemēram, metabolismu. Tāpat tīras ķīmiskās reakcijas var radīt molekulāro daudzveidību, lai izveidotu pirmsdarviniešu raganu vēzi pirms dzīves.
Huda grupai ir izdevies laboratorijā pabeigt reprodukcijas procesa sākumposmu, lai gan viņi vēl nav iemācījušies, kā pielīmēt īsus segmentus, neizmantojot bioloģiskos instrumentus. Ja viņi var pārvarēt šo šķērsli, viņi radīs universālu RNS reproducēšanas veidu.
Tomēr daži zinātnieki šaubās, vai ķīmiski mediēta reprodukcija būs pietiekami laba, lai reproducētu Huds aprakstīto pasauli pirms Darvinijas. "Es nezinu, vai tam ticu," saka Pols Higss, biofiziķis McMaster universitātē Hamiltonā, Ontario, kurš pēta dzīves pirmsākumus. "Visam jānotiek pietiekami ātri un precīzi, lai radītu konsekvenci." Tas ir, šim procesam ir jāražo jaunas RNS ātrāk, nekā tās tiek iznīcinātas, un pietiekami precīzi, lai izveidotu aptuvenas šablona molekulu kopijas.
Ar ķīmiskām izmaiņām vien nepietiek, lai dzīvotu. Proto-dzīves buljonam joprojām bija nepieciešama sava veida atlase, kas nodrošinātu, ka labvēlīgās molekulas zelt un vairoties. Viņu modelī Hada grupa norāda, ka varēja parādīties un izplatīties vienkāršākie protoenzīmi, kas sāka dot labumu to radītājiem un sabiedrībai kopumā. Piemēram, RNS molekula, kas ražoja vairāk celtniecības bloku, guva labumu sev un kaimiņiem, nodrošinot viņiem papildu izejvielas reprodukcijai. Huda grupas veiktās datorsimulācijas parādīja, ka šāda veida molekulas varētu labi iesakņoties. Tas, kurš bagātina buljonu, ir ļoti noderīgs.
Ribosomu saknes
Vienu iespējamu ieskatu pirmsdārvinistiskajā pasaulē var redzēt ribosomā - senajā molekulārās tehnikas gabalā, kas ir mūsu ģenētiskā koda pamatā. Tas ir ferments, kas pārveido RNS, kas kodē ģenētisko informāciju, olbaltumvielās, kas mūsu šūnās veic daudzas ķīmiskas reakcijas.
Ribosomu kodolu veido RNS. Tas padara ribosomu unikālu - lielāko daļu fermentu mūsu šūnās veido olbaltumvielas. Gan ribosomu kodols, gan ģenētiskais kods ir kopīgi visām dzīvajām būtnēm, kas norāda uz to esamību dzīves evolūcijas pašā sākumā, iespējams, pat pirms Darvina sliekšņa šķērsošanas.
Huds un viņa kolēģis Laurens Viljamss, arī no Georgia Tech, norāda uz ribosomu kā atbalstu viņu teorijai par ķīmiski noteikto pasauli. Pagājušajā gadā publicētajā dokumentā viņi sniedza pretrunīgi vērtētu paziņojumu: ribosomu kodols tika izveidots ķīmiskās evolūcijas ceļā. Un viņi arī ieteica, ka tas parādījās pat pirms pirmās pašreplicējošās RNS molekulas parādīšanās. Iespējams, ka ribosomu kodols ir bijis veiksmīgs ķīmiskās evolūcijas eksperiments, viņi saka. Un pēc tam, kad tā iesakņojās pirmsdārvinistu buljonā, tas šķērsoja Darvinu slieksni un kļuva par nozīmīgu visas dzīves sastāvdaļu.
Viņu arguments balstās uz ribosomu kodola, kas oficiāli pazīstams kā peptidiltransferāzes centrs (PTC), relatīvo vienkāršību. PTC uzdevums ir salikt aminoskābes, olbaltumvielu celtniecības blokus. Atšķirībā no tradicionālajiem fermentiem, kas paātrina ķīmiskās reakcijas, izmantojot “gudrus ķīmiskos trikus”, tas darbojas kā desikants. Viņš pārliecina divas aminoskābes saistīties, vienkārši noņemot ūdens molekulu. "Tas ir tik slikts veids, kā izkliedēt reakciju," saka Lehmans. "Olbaltumvielu fermenti parasti paļaujas uz jaudīgākām ķīmiskām stratēģijām."
Lehmans atzīmē, ka vienkāršība, iespējams, bija pirms varas jau dzīves agrīnajos posmos. “Domājot par dzīves izcelsmi, vispirms ir jādomā par vienkāršu ķīmiju; jebkurš vienkāršākās ķīmijas process, visticamāk, būs sens, viņš saka. "Es domāju, ka tas ir vairāk pārliecinošs arguments nekā fakts, ka viņa pieder pie visas dzīves."
Neskatoties uz pārliecinošiem pierādījumiem, joprojām ir grūti iedomāties, kā ķīmiskās evolūcijas rezultātā varētu būt izveidojies ribosomu kodols. Ferments, kas vairāk darbojas pats no sevis, piemēram, RNS replikators RNS pasaules hipotēzē, automātiski izveido slēgtu cilpu, pastāvīgi palielinot paša produktivitāti. Turpretī ribosomu kodols neražo vairāk ribosomu kodolu. Tas rada nejaušas aminoskābju ķēdes. Nav skaidrs, kā šim procesam vajadzētu stimulēt vairāk ribosomu veidošanos.
Huds un viņa kolēģi spriež, ka RNS un olbaltumvielas attīstījās tandēmā, un kurš izdomāja, kā strādāt kopā, izdzīvoja. Šai idejai trūkst RNS pasaules vienkāršības, kas postulē vienas molekulas esamību, kas vienlaikus spēj kodēt informāciju un katalizēt ķīmiskās reakcijas. Bet Huds uzskata citādi: tā ir sarežģītība, kas piešķir dzīvībai jaunu eleganci.
"Es domāju, ka vienmēr ir pārāk uzsvērts uz vienkāršību, ka viens polimērs ir labāks par diviem," viņš saka. “Varētu būt vieglāk iegūt specifiskas reakcijas, ja abi polimēri darbojas kopā. Varbūt jau sākotnēji polimēriem ir bijis vieglāk strādāt kopā.”
Balstīts uz žurnāla Quanta materiāliem