Kako je življenje uspelo sestaviti nešteto delov? Vsaj prve oblike življenja na Zemlji so potrebovale način shranjevanja in razmnoževanja informacij. Šele potem lahko sami izdelajo kopije in se razširijo po svetu. Morda je kemija igrala veliko pomembnejšo vlogo pri nastanku življenja, kot se je prej mislilo.
Ena najvplivnejših hipotez je, da se je vse začelo z RNA, molekulo, ki lahko hkrati beleži genetske zapise in sproži kemične reakcije. Hipoteza "sveta RNA" se kaže v številnih oblikah, vendar se je po najbolj tradicionalnem življenju začelo s tvorbo molekule RNA, ki je sposobna samo-razmnoževanja. Njeni potomci so razvili sposobnost opravljanja številnih nalog, kot so pridobivanje novih spojin in shranjevanje energije. Sčasoma je sledilo težko življenje.
Vendar pa so znanstveniki ugotovili, da je samo ponovljivo RNA presenetljivo težko ustvariti v laboratoriju. Uspelo jim je, vendar do sedaj izdelane kandidatne molekule lahko reproducirajo RNA le določenega zaporedja ali dolžine. Poleg tega so same te molekule RNA precej zapletene, kar sproža vprašanja, kako bi jih lahko nastala volja kemične nesreče.
Nick Hud, kemik na Georgia Institute of Technology, in njegovi sodelavci so se odločili preseči biologijo in preučiti možno vlogo kemije pri nastanku življenja. Morda je pred pojavom biologije obstajala predhodna faza protoživljenja, v katerem so samo kemični procesi ustvarili "bife" RNA in RNK podobnih molekul. "Mislim, da je bilo kar nekaj korakov, ki so privedli do samoponovljivega samoodpornega sistema," pravi Hud.
V tem scenariju bi se lahko spontano oblikovale različne molekule, podobne RNK, ki kemični brozgi sočasno pomagajo izumiti številne podrobnosti, potrebne za razvoj življenja. Protivotne oblike so eksperimentirale s primitivnim molekularnim inženiringom in ga ločevale po delih. Celoten sistem je deloval kot velikanska simpatija. Šele ko je bil vzpostavljen tak sistem, se je pojavila samo ponovljiva RNA.
V središču Hudovega predloga je kemično sredstvo za ustvarjanje tako bogate raznolikosti protoživljenja. Računalniške simulacije kažejo, da lahko nekatere kemične razmere ustvarijo raznoliko zbirko molekul, podobnih RNA. Skupina trenutno to idejo preizkuša s pravimi molekulami v laboratoriju in upa, da bodo kmalu predstavili rezultate.
Hudova skupina utira pot številnim raziskovalcem, ki izpodbijajo tradicionalno hipotezo sveta RNA in njeno odvisnost od biološke in ne kemične evolucije. V tradicionalnem modelu je bil ustvarjen nov molekularni inženiring z uporabo bioloških katalizatorjev - encimov - kot pri sodobnih celicah. Med Hudovo fazo protoživljenjskega življenja je bilo mogoče ustvariti in spremeniti nešteto RNK ali RNK podobnih molekul s čisto kemičnimi sredstvi. "Kemična evolucija bi lahko pomagala začeti življenje brez encimov," pravi Hud.
Promocijski video:
Hud in njegovi sodelavci so se odločili, da bodo šli dlje in domnevali, da je ribosom, edini del biološkega inženiringa, ki je danes prisoten v vseh živih stvareh, izhajal samo iz kemije. To je nenavaden način gledanja na stvari, saj mnogi verjamejo, da se je ribosom rodil iz biologije.
Če lahko Hudova ekipa ustvari oblike protoživljenja v pogojih, ki so morda obstajali na zgodnji Zemlji, je mogoče domnevati, da je kemijska evolucija morda imela veliko pomembnejšo vlogo pri nastanku življenja, kot so znanstveniki pričakovali. "Darwinovi evoluciji je morda sledila preprostejša oblika evolucije," pravi Niels Lehman, biokemičar z univerze Portland v Oregonu.
Predarvinski svet
Ko večina razmišlja o evoluciji, pride na vrsto Darwinov evolucija, v kateri organizmi tekmujejo med seboj za omejene vire in prenašajo genetske informacije svojim potomcem. Vsaka generacija je podvržena genetskim popravkom in najuspešnejši potomci preživijo, da prenesejo svoje gene. Ta način evolucije prevladuje v sodobnem življenju.
Karl Woese, slavni biolog, ki nam je dal sodobno drevo življenja, je verjel, da je darvinski dobi pred zgodnjo življenjsko dobo, v kateri so vladale povsem različne evolucijske sile. Woese je verjel, da bi bilo skoraj nemogoče, da bi ena sama celica dobila vse, kar potrebuje za življenje. Zato si je zamislil bogato paleto molekul, ki so vključene v občinski obstoj. Namesto da bi tekmujejo med seboj, so primitivne celice delile molekularne inovacije. Ta pred-darvinjska juha je ustvarila sestavine, potrebne za zapleteno življenje in utirala pot čudoviti menageriji, ki jo danes vidimo na Zemlji.
Hudov model Woese-jev pred-darvinski časovni vid še bolj nazaj v čas, ki zagotavlja primitivne celice s kemičnimi sredstvi za ustvarjanje molekularne raznolikosti. Ena oblika proto-življenja bi lahko zasnovala način, kako ustvariti bloke, ki jih potrebujejo za ustvarjanje, druga pa bi našla način, kako pridobiti energijo. Ta model se od tradicionalne hipoteze sveta RNA razlikuje po odvisnosti od kemijske in ne biološke evolucije.
V svetu RNA so se prve molekule RNA razmnožile z uporabo vgrajenega encima ribocim, ki je sestavljen iz RNA. V svetu Hudovega protoživljenjskega življenja so to nalogo opravljali izključno s kemičnimi metodami. Zgodba se začne s kemično juho molekul, podobnih RNA. Večina je bila kratkih, saj bi se kratke verige najverjetneje oblikovale spontano, lahko pa bi bile tudi daljše, zapletene molekule. Hudov model opisuje, kako se lahko daljše molekule razmnožujejo brez pomoči encima.
Hud verjame, da je v prebiotičnem svetu primarna juha iz RNA šla skozi redne cikle ogrevanja in hlajenja ter postala gosta in viskozna. Vročina je ločila vezane pare RNA in viskozna raztopina je nekaj časa držala molekule narazen. Medtem so na vsak dolgi pramen pritrjeni majhni segmenti RNA, dolgi le nekaj znakov. Ti majhni segmenti so bili postopoma zlepljeni skupaj, tako da so tvorili nov pramen RNA, ki ustreza prvotnemu dolgemu pramenu. Nato se je cikel spet začel.
Kemijske poti podvajanja RNK
Sčasoma, ko se je juha različnih RNK podobnih molekul širila in rasla, so nekatere od njih pridobile preproste funkcije, kot je metabolizem. Prav tako lahko čiste kemijske reakcije ustvarijo molekularno raznolikost in ustvarijo pred-darvinski kornekopijo Woesejevega proto-življenja.
Hudovi skupini je uspelo dokončati zgodnje faze procesa razmnoževanja v laboratoriju, čeprav se še niso naučili lepiti kratkih segmentov, ne da bi se zatekli k biološkim orodjem. Če bodo zmogli premagati to oviro, bodo ustvarili univerzalen način razmnoževanja RNA.
Vendar nekateri znanstveniki dvomijo, da bo razmnoževanje s kemičnimi sredstvi dovolj dobro za reprodukcijo predarvinističnega sveta, ki ga opisuje Hud. "Ne vem, ali v to verjamem," pravi Paul Higgs, biofizik z univerze McMaster v Hamiltonu v Ontariu, ki preučuje izvor življenja. "Vse se mora zgoditi dovolj hitro in natančno, da se ustvari doslednost." To pomeni, da mora ta postopek ustvariti nove RNA hitreje, kot so uničene, in dovolj natančno, da ustvarijo približne kopije molekul predloge.
Kemične spremembe same po sebi niso dovolj, da bi lahko oživele. Juha proto-življenja je še vedno potrebovala neke vrste izbiro, ki bi zagotovila, da bodo koristne molekule uspevale in se množile. Skupina Hada v svojem modelu nakazuje, da bi se lahko pojavili in razširili najpreprostejši protoenzimi, ki so začeli koristiti njihovim ustvarjalcem in družbi na splošno. Na primer, molekula RNA, ki je ustvarila več gradnikov, je koristila sebi in svojim sosedom, tako da jim je zagotovila dodatne surovine za razmnoževanje. Računalniške simulacije, ki jih je izvedla Hudova skupina, so pokazale, da se lahko ta vrsta molekule korenini. Tisti, ki juho obogati, je zelo koristen.
Ribosomske korenine
En možen pogled na pred-darvinski svet je viden v ribosomu, starodavnem kosu molekularne mašinerije, ki temelji na našem genetskem zapisu. To je encim, ki RNA, ki kodira genetske informacije, prevede v beljakovine, ki v naših celicah izvajajo številne kemijske reakcije.
Jedro ribosoma je sestavljeno iz RNK. Zaradi tega je ribosom edinstven - veliko večino encimov v naših celicah sestavljajo beljakovine. Tako ribosomsko jedro kot genska koda sta skupna vsem živim bitjem, kar kaže na njihov obstoj na samem začetku evolucije življenja, morda še preden je bil prestopil darvinski prag.
Hud in njegova sodelavka Lauren Williams, tudi iz Georgia Tech, navajajo, da ribosom podpirata njihovo teorijo kemijsko opredeljenega sveta. V lanskem članku, ki je bil objavljen lani, so podali kontroverzno izjavo: jedro ribosoma je nastalo s kemično evolucijo. In tudi predlagali, da se je pojavila še pred pojavom prve samo-ponovljive molekule RNA. Ribosomsko jedro je bilo morda uspešen eksperiment v kemični evoluciji, pravijo. In potem, ko se je koreninil v pred-darvinski juhi, je prestopil darvinski prag in postal pomemben del vsega življenja.
Njihova trditev se opira na relativno preprostost ribosomskega jedra, formalno znanega kot peptidil transferazni center (PTC). Naloga PTC je sestaviti aminokisline, gradnike beljakovin. Za razliko od tradicionalnih encimov, ki s "pametnimi kemičnimi triki" pospešijo kemične reakcije, deluje kot sušilno sredstvo. Dve aminokislini prepričata, da se vežeta s preprosto odstranitvijo molekule vode. "To je tako slab način, da spodbudimo reakcijo," pravi Lehman. "Proteinski encimi se običajno opirajo na močnejše kemijske strategije."
Lehman ugotavlja, da je preprostost najverjetneje pred močjo v najzgodnejših življenjskih obdobjih. »Ko razmišljate o izvoru življenja, morate najprej pomisliti na preprosto kemijo; pravi, da bo vsak postopek najpreprostejše kemije starodaven, pravi. "Mislim, da je to bolj prepričljiv argument kot dejstvo, da ji pripada vse življenje."
Kljub trdnim dokazom si je še vedno težko predstavljati, kako bi lahko nastalo ribosomsko jedro kot posledica kemične evolucije. Encim, ki naredi več kot sam - kot replikator RNA v hipotezi sveta RNA - samodejno ustvari zaprto zanko in stalno povečuje lastno produktivnost. V nasprotju s tem ribosomsko jedro ne proizvaja več ribosomskih jeder. Proizvaja naključne verige aminokislin. Ni jasno, kako naj bi ta postopek spodbudil proizvodnjo več ribosomov.
Hud in njegovi sodelavci ugibajo, da se RNA in beljakovine razvijajo v tandemu, in kdorkoli je pomislil, kako sodelovati, je preživel. Tej ideji manjka enostavnost sveta RNA, ki postulira obstoj ene same molekule, ki bi lahko istočasno kodirala informacije in katalizirala kemijske reakcije. Toda Hud verjame drugače: kompleksnost dodaja eleganco nastanku življenja.
"Mislim, da je vedno bilo preveč poudarka na preprostosti, da je en polimer boljši od dveh," pravi. "Specifične reakcije bi lahko bilo lažje, če dva polimera delujeta skupaj. Morda je bilo, da so polimeri že od začetka lažje sodelovali."
Na podlagi materialov revije Quanta