- Esimene osa: kuidas teha lahtrit -
- Teine osa: lõhe teadlaste ridadesse -
- kolmas osa: esimese replikaatori otsimisel -
- neljas osa: prootonite energia -
- kuues osa: suur ühendamine -
2000. aastate alguseks olid teadlased tuvastanud kaks juhtivat ideed, kuidas elu võinuks tekkida. "RNA-maailma" toetajad olid veendunud, et elu sai alguse isemoodi paljunevast molekulist. Samal ajal usuvad ainevahetuse esimese leeri teadlased, et elu võis ilmneda hüdrotermilistes õhuavades ookeani põhjas. Kolmas idee tuli aga esiplaanile.
Iga maakera elusolend koosneb rakkudest. Iga rakk on sisuliselt pehme kuul, kotike, millel on jäik välissein või "membraan". Lahtri ülesanne on hoida kõik vajalik kokku. Kui välissein puruneb, voolab sisekülg välja ja puur sureb - täpselt nagu roogitud inimene.
Lahtri välissein on nii oluline, et mõned elu päritolu uurijad usuvad isegi, et see ilmus esiteks. Nad usuvad, et “geneetika kõigepealt” lähenemisviis, mida arutasime teises osas, ja “metaboolika esimene” lähenemine, mida arutasime neljandas osas, on valed. Nende alternatiivi - “esimest sektsioonideks jaotamist” - tutvustab Pier Luigi Luisi Rooma Tre Tre ülikoolist Roomas, Itaalias.
Kõik elusad asjad on tehtud rakkudest
Louise'i idee on lihtne ja sellele on raske vaielda. Kuidas kavatsete luua toimiva metaboolse süsteemi või isereplitseeruva RNA, millest igaüks sõltub paljude kemikaalide olemasolust ühes kohas, kui te kõigepealt ei tee konteinerit, mis hoiab kõiki molekule koos.
Kui sellega nõustute, on elu ainult ühel viisil alata. Millegipärast kujunes osa varajase maa kuumuse ja tormi ajal osa toorainest jämedaid rakke ehk "protorakke". Jääb vaid korrata seda laboris: luua lihtne elusrakk.
Reklaamvideo:
Louise ideede taga on Aleksander Oparin ja NSVLi elu päritolu teaduse algusaeg, mida arutasime esimeses osas. Oparin tõi välja asjaolu, et mõned kemikaalid moodustavad hüübimisi - koatservaate -, mis võivad teisi aineid sees hoida. Ta pakkus, et esimesed algrakud olid koacervaadid.
Mis tahes rasvane või õline aine moodustab vees tükke või kilet. Neid kemikaale nimetatakse üldiselt lipiidideks. Sellest lähtuvalt hakati hüpoteesi, et elu algas neist, "lipiidimaailmaks".
Kuid ainult klompimisest ei piisa. Need peavad olema stabiilsed, suutma jaguneda tütarhüübideks ja omada vähemalt natuke kontrolli selle üle, mis sisse ja välja läheb - ja seda kõike ilma keerukate valkudeta, mida tänapäevased rakud nendeks ülesanneteks kasutavad.
Tekkis ülesanne koguda sellised protorakud kogu vajalikust materjalist. Hoolimata paljudest katsetest aastate jooksul, pole Louise kunagi midagi veenvat teinud. Ja siis, 1994. aastal, julges ta julgelt arvata. Ta tegi ettepaneku, et esimesed algrakud peaksid sisaldama RNA-d. Pealegi pidi see RNA suutma paljuneda protorakul.
Kuidagi lahter ikkagi ilmus
Ja nii, tema hüpotees muutus väga keerukaks ja eemaldus puhtast "esimese sektsiooni jaotamise" lähenemisest. Kuid Louisel olid head põhjused.
Välisseintega puur, kuid sisikond ei suuda vähe ära teha. Võib-olla võiks ta tütarrakkudeks jaguneda, kuid ei edasta oma järglastele mingit teavet enda kohta. Ta võiks hakata arenema ja muutuma keerukamaks ainult mõne geeni abil.
See idee leidis peagi tugeva toetaja Jack Shostaki isikus, kelle tööd "RNA maailmas" me 3. osas uurisime. Louise kuulus “esimese lahtrisse jaotamise” laagrisse, Shostak toetas “geneetikat kõigepealt” ja aastaid ei kohtunud nad näost näkku.
Peaaegu kogu elu on üherakuline
“Kohtusime elu päritolu käsitlevatel koosolekutel ja alustasime neid pikki arutelusid selle üle, mis oli olulisem ja mis tuli enne,” meenutab Shostak. “Lõpuks mõistsime, et rakkudel olid mõlemad. Oleme jõudnud konsensusele, et elus on oluline nii sektsioonimine kui ka geneetiline süsteem.
2001. aastal koostasid Shostak ja Louise visiooni sellele ühtsele lähenemisele. Ajakirjas Natire avaldatud artiklis väitsid nad, et lihtsat elavat rakku peaks olema võimalik nullist luua, pannes replitseeriva RNA regulaarsele tilgale rasva.
See oli radikaalne idee. Üsna pea otsustas Shostak täielikult oma naise pühendada. Põhjendades, et „me ei saa seda teooriat ilma seda mingil viisil toetamata esitada”, otsustas ta hakata katsetama algrakkudega.
Kaks aastat hiljem teatasid Shostak ja kaks tema kolleegi suurest edust.
Vesiikulid on lihtsad lipiididest valmistatud anumad
Nad eksperimenteerisid vesiikulitega: sfäärilised tilgad, mille välisküljel on kaks kihti rasvhappeid ja tsentraalne vedel südamik. Püüdes leida viisi vesiikulite tekke kiirendamiseks, lisasid nad väikesed saviosakesed, mida nimetatakse montmorilloniidiks. Vesiikulid hakkasid moodustuma 100 korda kiiremini. Savi pind toimis katalüsaatorina nagu ensüüm.
Veelgi enam, vesiikulid võisid savipinnalt absorbeerida nii montmorilloniidi osakesi kui ka RNA ahelaid. Need protorakud sisaldasid nüüd geene ja katalüsaatorit, kõik ühest lihtsast toidulisandist. Montmorilloniidi lisamise otsus tehti põhjusel. Mitme aastakümne jooksul on paljud uuringud väitnud, et montmorilloniit ja sarnased savid võisid olla elu päritolu olulised.
Montmorilloniidi tükk
Montmorilloniit on tavaline savi. Praegu kasutatakse seda mitmesugustel juhtudel, sellest tehakse isegi kassiliiv. See moodustub vulkaanilise tuha lagunemisel ilmastiku toimel. Kuna varane Maa oli tulvil vulkaanidest, näib tõenäoline, et sellel oli ka palju montmorilloniiti.
Juba 1986. aastal näitas keemik James Ferris, et montmorilloniit toimib katalüsaatorina, mis aitab orgaanilistel molekulidel moodustuda. Hiljem avastas ta, et savi kiirendab ka väikeste RNA-de teket.
Ja siis pakkus Ferris välja, et see kirjeldamatu savi võiks olla elu sünnikoht. Shostak võttis selle idee kasutusele ja viis selle ellu, kasutades oma algloomade ehitamiseks montmorilloniiti. Aasta hiljem avastas Shostak, et tema algrakud võivad iseseisvalt kasvada.
Mida rohkem oli RNA molekule protorakus, seda suurem oli rõhk välisseinal. Tundus, et protokelli kõht oli täis ja ta oli valmis suureks minema. Selle kompenseerimiseks võttis algloom sisse rohkem rasvhappeid ja ühendas need seintesse, turses seeläbi veelgi ja leevendas pingeid.
Oluline on see, et ta võttis rasvhappeid teistest algrakkudest, millel oli vähem RNA, põhjustades nende kokkutõmbumist. Tundus, et protorakud võistlevad ja võidab see, kellel on kõige rohkem RNA-d. Kuid kui protorakud võivad kasvada, kas neid saab jagada? Kas Shostaki algloom suudab ennast taastoota?
Rakud jagunevad kaheks
Shostaki esimesed katsed näitasid, et algrakkude jagamiseks on tõesti võimalus. Kui pigistada see väikesesse auku ja torusse tõmmata, siis protorakud rebenevad, moodustades "tütre" algrakud. See oli hea mõte, kuna selles polnud rakulist mehhanismi: lihtsalt surve. Kuid see lahendus polnud parim, kuna protorakud kaotasid protsessi käigus osa oma sisust. See tähendas ka seda, et esimesed lahtrid jagunesid ainult väikeste aukude läbi surudes.
Vesiikulite jagunemiseks on palju viise. Näiteks võite lisada tugeva veevoolu. Jääb vaid üle saada protorakud soolestikku jaotada ja mitte kaotada. 2009. aastal leidsid Shostak ja tema õpilane Ting Zhu lahenduse. Nad tegid veidi keerulisemaid protokereid, mille välisseinad olid mitmes kihis, meenutades sibulakihte. Vaatamata sellele keerukusele oli neid protorakke endiselt lihtne luua.
Kui Zhu toitis neid rasvhapetega, siis algloomad kasvasid ja muutsid kuju, sirutudes välja pikkade köietaoliste ahelatena. Kui protorakud on piisavalt pikad, piisab kergest rakendatud jõust, et see murda kümneteks väikesteks tütarprotirakkudeks.
Iga tütarprotorakk sisaldas vanema protoraku RNA-d ega kaotanud ühtegi RNA-d. Pealegi võisid algloomad kogu tsüklit korrata, tütarprotorakud kasvasid ja jagunesid. Tundub, et see probleem on lahendatud.
Järgnevates katsetes leidsid Zhu ja Shostak veelgi rohkem võimalusi protorakkude jagamiseks. Kuid protokellidel puudus ikkagi palju. Louise soovis, et algrakud replitseeriksid RNA, kuid RNA lihtsalt istus seal ega teinud midagi. Näitamaks, et tema algrakud võivad olla Maa esimene elu, vajas Shostak nende sees oleva RNA paljunemist.
See ei olnud lihtne, sest vaatamata aastakümnete pikkustele katsetele - mida oli kirjeldatud kolmandas osas - ei õnnestunud kellelgi saada RNA-d ennast replitseerima. Sama probleem ajas Shostaki varase "RNA-maailma" töö ajal nurka ja keegi teine ei suutnud seda lahendada. Nii tuli ta tagasi ja luges uuesti läbi Leslie Orgeli töö, kes oli nii kaua töötanud RNA maailma hüpoteesi kallal. Need tolmused paberid sisaldasid väärtuslikke vihjeid.
Orgel veetis palju aega 1970. kuni 1980. aastateni RNA ahela kopeerimise uurimisel.
Esimene lahter pidi sisaldama elukeemiat
Tegelikult on kõik lihtne. Võtke üks RNA ahel ja komplekt vabu nukleotiide. Seejärel pange need nukleotiidid kasutades kokku teine RNA ahel, mis on esimesega komplementaarne. Näiteks RNA ahel "CGC" annab täiendava ahela "GCG". Kaks korda seda tehes saate originaalsest "CGC" koopia ümardatud viisil.
Orgel avastas, et teatud tingimustel saab RNA ahelaid sel viisil kopeerida ilma ensüümide abita. Võib-olla just nii lõi esimene elu oma geenidest koopiad.
1987. aastaks oli Orgel võimeline võtma 14-nukleotiidset RNA ahelat ja looma komplementaarseid ahelaid, mis olid samuti 14 nukleotiidi pikad. Ta ei suutnud enamat teha, kuid sellest piisas Shostaki intrigeerimiseks. Tema õpilane Katarzyna Adamala üritas sellist reaktsiooni esile kutsuda protorakkudes.
Nad leidsid, et selle reaktsiooni toimimiseks on vaja magneesiumi. Kuid magneesium hävitas protorakud. Siiski oli ka lihtne lahendus: tsitraat, mis on peaaegu identne sidrunhappega ja mida leidub kõigis elavates rakkudes.
2013. aastal avaldatud uuringus lisasid nad tsitraadi ja leidsid, et see ümbritseb magneesiumi, kaitstes algrakke ja võimaldades mustril korrata. Teisisõnu, nad suutsid teha seda, mida Louise 1994. aastal välja pakkus. "Me juhtisime RNA replikatsiooni keemiat nendes rasvhapete vesiikulites," räägib Shostak.
Shostaki algrakud võivad elada intensiivses kuumuses
Vaid kümne aasta pikkuse uurimistöö käigus on Shostaki meeskond saavutanud uskumatu.
Nad lõid protorakud, mis säilitavad nende geenid, võttes samal ajal väljastpoolt kasulikke molekule. Need protorakud saavad üksteisega kasvada ja jagada ning isegi konkureerida. RNA-d saab neis korrata. Ükskõik millisest küljest sa vaatasid, nad olid nagu esimene elu.
Nad olid ka väga vastupidavad. 2008. aastal avastas Shostaki grupp, et need protorakud suudavad ellu jääda kuni 100 kraadi Celsiuse järgi - temperatuurid, mis hävitavad enamiku tänapäevaseid rakke. Järelikult olid need protorakud nagu esimene elu, kus meteoriitide pidevast mõjust tuli tunda tugevat kuumust.
"Shostak teeb suurepärast tööd," ütleb Armen Mulkidzhanyan.
Pinnal on Shostaki lähenemine aga vastuolus 40-aastase elu päritolu uurimisega. Selle asemel, et hämmingus olla "kõigepealt taastootmine" või "kõigepealt sektsioonideks jaotamine", otsustas ta teha mõlemad asjad korraga.
Elumolekulid käituvad äärmiselt keerukalt
See sillutab teed uuele lähenemisele elu päritolu leidmisel - ühtsele, ühtsele, ühtsele lähenemisele. See peab hõlmama kõiki esimese elu funktsioone korraga ja üheaegselt. See hüpotees “kõigepealt” on kogunud piisavalt tõendeid olemasolevate ideede kõigi probleemide lahendamiseks. Sellest lähemalt järgmises osas.
ILYA KHEL
- Esimene osa: kuidas teha lahtrit -
- Teine osa: lõhe teadlaste ridadesse -
- kolmas osa: esimese replikaatori otsimisel -
- neljas osa: prootonite energia -
- kuues osa: suur ühendamine -
