Evolutsiooni ajalugu on korduvalt olnud tunnistajaks igavesele arutelule selle üle, kumb esimesena jõudis - muna või kana -, kuid üks huvitavamaid saladusi on järgmine: kas elu eksisteeris enne nukleiinhapete ilmumist? Ja uues uuringus on teadlased esitanud tõendeid selle kohta, et primitiivne biokeemia suutis tekkida ja areneda ilma fosfaatideta - meie geneetilise keemia moodustavate nukleiinhapete ühe olulisema ja olulisema struktuurikomponendiga -, mis lisab kaalu eeldustele, mis olid olemas juba enne elu tekkimist ainevahetus võiks juba olemas olla.
Massachusettsi tehnoloogiainstituudi ja Bostoni ülikooli teadlased on tuvastanud hulga alternatiivseid ainevahetuse radu, mis ei vajaks fosfaatide osalemist. Avastusel on potentsiaal täita lüngad meie arusaamas sellest, kuidas keeruline orgaaniline keemia sünnitas elu meie planeedil.
See, mida me tavatsesime tänapäeval eluks nimetada, põhineb suuresti mitte nii perfektsel replitseerival keemial, mis nõuab mingisugust malli, mida saab kopeerida, aga ka teatud hulgal energiat, mis on piisav, et lihtsad süsinikupõhised kemikaalid füüsikaliseks muundada keerukamateks vormideks. … Ja siin on küsimus, kumb tuli esimesena: keemiline kood, mis võib areneda keerukamaks vormiks või keerukamaks rajaks, mille abil saaks energiat kasutada lihtsate kemikaalide muundamiseks keerukamateks orgaanilisteks ühenditeks.
RNA-maailma niinimetatud hüpoteesi kohaselt aitasid ribonukleiinhappe (RNA) molekulide vabalt ujuvad ansamblid, mis toimisid geneetilise teabe säilitamisena ja olid omamoodi mallid, keemiliste reaktsioonide protsesside kiirenemisele, mida nüüd võib iseloomustada kui elu tekkimise protsessi. Selle kontseptsiooni küsimus on selles, et RNA molekulid ei saaks seda teha ilma keemiliste reaktsioonide jada jaoks vajaliku energiaallikata, mida võiks omakorda pidada ainevahetuse (ainevahetuse) varajaseks vormiks. Lisaks sisaldavad RNA molekulid fosfaate - aineid, mis on tihedalt keskkonda kootud ja seetõttu on orgaanilisteks ühenditeks raskesti integreeritavad.
Teise hüpoteesi kohaselt olid metaboolse keemia kõige varasemad vormid, mida ei seosta rakumembraanid, algselt võimeline neelduma keskkonnast saadavat energiat - soojuse või valguse kujul - ja kandma seda ühest keemilisest reaktsioonist teise orgaanilise supi (omamoodi primaarne puljong, milles elu). Lõppkokkuvõttes ühendas see primitiivne ainevahetus (metabolism) RNA molekulidega ja püsis selles olekus, kuni ta leidis pelgupaiga üksikute rasvapõidede sees - molekulid, mida võis nüüd pidada esimesteks rakkudeks.
Ja ikkagi, energia metabolism toimub tänapäevastes organismides ühendite, näiteks adenosiintrifosfaadi (ATP) ja nikotiinamiidadeniini dinukleotiidfosfaadi (NADP), st taas seostatud fosfaatidega.
Alternatiivsed metaboolsed rajad, mille teadlased uues uuringus tuvastasid, põhinevad väävlil põhinevatel molekulidel - ainel, mida leidus arvukalt Maa ookeanides mitu miljardit aastat tagasi.
„Selle uuringu olulisus seisneb selles, et nüüd, osana uutest katsetest välja selgitada elu päritolu allikas, tuleb arvestada selle ilmnemise tõenäosusega ilma fosfaatide osaluseta, mida praegu peetakse üheks selle kõige olulisemaks komponendiks, kuid mis ei pruukinud olla siis, kui esimene kemikaal reaktsioonid, mis viisid selle ilmumiseni,”ütleb Bostoni ülikooli teadlane Daniel Serger.
Reklaamvideo:
Idee, et väävel võis kunagi ainevahetusprotsessis keskset rolli mängida, pole kaugeltki uus. Veel 20. sajandi alguses pakkus saksa keemik Wachtershauser, et raudsulfiidi ja nikkelsulfiidi ühendid võiksid toimida katalüsaatorina süsiniku fikseerimisel sügavate ookeaniliste vulkaaniliste voogude ümber ja toimida energiavahetuse mehhanismina nende vahel, mida ta nimetas „ürgorganismideks“. Selle "väävel-raua hüpoteesiga" seotud keemiliste reaktsioonide mitmekesisust ühendavate veenvate tõendite puudumine ei võimaldanud aga seda oletust kinnitada.
"Alati jäeti tähelepanuta tõendusmaterjalil põhinevate veenvate tõendite puudumine, et need varased keemilised protsessid võiksid kujutada ühendatud ja suhteliselt keerulist primitiivset metaboolset võrku, mitte ainult hajutatud reaktsioone," kommenteerib Serje.
Serghe ja tema meeskond rakendasid arvutuslike süsteemide bioloogiat - teoreetilist lähenemisviisi, mis kasutab matemaatilisi mudeleid biokeemiliste reaktsioonide mitmesuguste radade uurimiseks - ning tuvastas kaheksa fosfaadivaba ühendi komplekti, mida võis meie planeedi iidsetes ookeanides olla küllaga. Seejärel rakendasid nad algoritmi primitiivse energiavahetuse simuleerimiseks, hõlmates nii raudsulfiide kui ka sulfiide sisaldavaid ühendeid - tioeetrid - ja hakkasid jälgima, millised erinevad keemilised reaktsioonid võivad nendega toimuda.
Selle tulemusel leiti, et 260 metaboliiti hõlmava 315 reaktsiooni põhivõrgu tulemuseks võib olla mitmesuguste elu tekkimiseks vajalike komplekssete orgaaniliste ühendite tootmine. Nende ühendite loend sisaldab ka aminohappeid ja karboksüülhappeid.
Kuna varane bioorgaaniline keemia ei suutnud muistsete setete kujul piisavalt eksisteerida selle olemasolu kohta, on vaja kasutada sarnaseid matemaatilisi mudeleid, mis oskavad ennustada, mis võis juhtuda mitu miljardit aastat tagasi. Ja kuigi selliseid andmeid saab vaevalt kasutada elu fosfaadivaba arengu tõendusmaterjalina, võivad need muutuda üheks tõestuseks võimalusele, et elu tekkis keemilistest ühenditest, millele enamus tänapäevaseid organisme üldse ei toetu. Lisaks võiks selliste andmete kasutamine ületada tavapärase arutelu selle üle, kuidas elu meie planeedil võis kujuneda.
"Ainevahetuse analüüsimine ökosüsteemi tasandil või isegi planeedinähtusena, mitte aga konkreetsete organismide individuaalse tunnusena, võib olla mikroobikoosluse mõistmisel praktiliselt oluline," ütleb Serje.
Massachusettsi tehnoloogiainstituudi ja Bostoni ülikooli teadlaste rühma teadusuuringute tulemused avaldati teadusajakirja Cell ühes viimases numbris.
NIKOLAY KHIZHNYAK
