Kuidas suutis elu kokku panna hulgaliselt osi? Vähemalt vajasid Maa esimesed eluvormid viisi teabe salvestamiseks ja taasesitamiseks. Alles siis saavad nad ise koopiaid teha ja kogu maailmas levida. Võib-olla mängis keemia elu päritolul palju olulisemat rolli, kui seni arvati.
Üks mõjukamaid hüpoteese on see, et kõik sai alguse RNA-st - molekulist, mis suudab samaaegselt registreerida geneetilisi kirjeid ja käivitada keemilisi reaktsioone. "RNA-maailma" hüpotees avaldub mitmel kujul, kuid kõige traditsioonilisema järgi algas elu RNA-molekuli moodustumisega, mis suudab ennast taastoota. Tema järeltulijatel arenes võime täita paljusid ülesandeid, näiteks uute ühendite valmistamine ja energia salvestamine. Aja jooksul järgnes keeruline elu.
Teadlased on aga leidnud, et isetasanduvat RNA-d on laboris üllatavalt keeruline luua. Neil on õnnestunud, kuid praeguseks tehtud kandidaatmolekulid suudavad reprodutseerida ainult teatud järjestuse või pikkusega RNA-sid. Lisaks on need RNA molekulid ise üsna keerukad, mis tekitab küsimusi, kuidas need võisid tekkida keemilise õnnetuse tahtel.
Georgia tehnikainstituudi keemik Nick Hud ja tema kolleegid otsustasid minna kaugemale bioloogiast ja uurida keemia võimalikku rolli elu päritolul. Võib-olla oli enne bioloogia ilmnemist proto-elu esialgne etapp, mille käigus ainult keemilised protsessid lõid RNA ja RNA-sarnaste molekulide "puhveti". "Arvan, et oli üsna palju samme, mis viisid iseennast paljundava, isemajandava süsteemini," ütleb Hud.
Selle stsenaariumi korral võiks spontaanselt moodustuda mitmesuguseid RNA-taolisi molekule, mis aitab keemilisel puljongil samaaegselt leiutada paljusid elu arenguks vajalikke detaile. Proto-eluvorme katsetati ürgse molekulaartehnika abil, eraldades selle tükkhaaval. Kogu süsteem töötas nagu hiiglaslik puru. Alles siis, kui selline süsteem loodi, tekkis isetasanduv RNA.
Hudi ettepaneku keskmes on keemilised vahendid sellise rikkaliku proto-elu loomiseks. Arvutisimulatsioonid näitavad, et teatud keemilised tingimused võivad anda RNA-sarnaste molekulide mitmekesise kogumi. Meeskond katsetab seda ideed laboratooriumis reaalsete molekulidega ja loodab tulemusi varsti esitada.
Hudi rühm sillutab teed paljudele teadlastele, kes vaidlustavad RNA-maailma traditsioonilise hüpoteesi ja selle sõltuvuse bioloogilisest, mitte keemilisest arengust. Traditsioonilises mudelis loodi uus molekulaartehnika, kasutades bioloogilisi katalüsaatoreid - ensüüme - nagu tänapäevaste rakkude puhul. Hudi protoelemendi etapis võis puhtalt keemiliste vahenditega moodustada ja muuta hulgaliselt RNA või RNA-taolisi molekule. "Keemiline evolutsioon oleks võinud aidata elu alustada ilma ensüümideta," ütleb Hud.
Reklaamvideo:
Hud ja tema kolleegid otsustasid minna kaugemale ja oletada, et ribosoom, mis on tänapäeval ainus bioloogilise inseneri osa kõigis elusolendites, väljus täielikult ainult keemiast. See on ebatavaline viis asjade vaatamiseks, kuna paljud usuvad, et ribosoom sündis bioloogia poolt.
Kui Hudi meeskond suudab luua proto-elu vorme tingimustes, mis võisid eksisteerida varases Maal, võib eeldada, et keemilisel evolutsioonil võis olla elu päritolul palju olulisem roll, kui teadlased eeldasid. "Darvini evolutsioonile võis eelneda evolutsiooni lihtsam vorm," ütleb Oregoni Portlandi ülikooli biokeemik Niels Lehman.
Darvini-eelne maailm
Kui enamik mõtleb evolutsioonile, tuleb meelde Darwini evolutsioon, kus organismid konkureerivad omavahel piiratud ressursside pärast ja edastavad geneetilist teavet oma järeltulijatele. Igas põlvkonnas tehakse geneetilisi parandusi ja kõige edukamad järglased jäävad ellu oma geenide edasiandmiseks. See evolutsiooniviis valitseb tänapäeva elus.
Kuulus bioloog, kes andis meile tänapäevase elupuu, uskus, et Darwini ajastule eelnes varajane eluetapp, mida valitsesid täiesti erinevad evolutsioonijõud. Woese uskus, et ühel rakul on peaaegu võimatu saada kõike, mida ta vajab elamiseks. Seetõttu kujutas ta ette mitmesuguseid molekule, mis on seotud kogukondliku eksistentsiga. Omavahel konkureerimise asemel jagasid ürgsed rakud molekulaarseid uuendusi. See Darwini-eelne puljong lõi keerukaks eluks vajalikke koostisosi, sillutades teed suurepärasele menagerie'le, mida me tänapäeval Maa peal näeme.
Hudi mudel viib Woese Darwini-eelse ajavisiooni ajaliselt veelgi kaugemale, pakkudes primitiivsetele rakkudele keemilisi vahendeid molekulaarse mitmekesisuse loomiseks. Üks proto-elu vorm võiks arendada viisi enda loomiseks vajalike plokkide loomiseks, teine - leida viis energia saamiseks. See mudel erineb RNA-maailma traditsioonilisest hüpoteesist sõltuvuses pigem keemilisest kui bioloogilisest evolutsioonist.
RNA maailmas paljunevad esimesed RNA molekulid, kasutades sisseehitatud ensüümi ribosüümi, mis koosneb RNA-st. Hudi protoelu maailmas viidi see ülesanne läbi ainult keemiliste meetoditega. Lugu algab RNA-sarnaste molekulide keemilise supiga. Enamik neist olid lühikesed, kuna lühikesed ahelad moodustuvad tõenäoliselt spontaanselt, kuid võib olla ka pikemaid, keerukaid molekule. Hudi mudel kirjeldab, kuidas saaks pikemaid molekule reprodutseerida ilma ensüümi abita.
Hud usub, et prebiootilises maailmas läbis primaarne RNA puljong regulaarsed kuumutus- ja jahutustsüklid ning muutus paksuks ja viskoosseks. Kuumus eraldas seotud RNA paarid ja viskoosne lahus hoidis molekule mõne aja kaugusel. Samal ajal on iga pika ahela külge kinnitatud väikesed RNA lõigud, mis on vaid paar tähemärki. Need väikesed segmendid õmmeldi järk-järgult kokku, moodustades uue RNA ahela, mis vastas algsele pikale ahelale. Siis algas tsükkel uuesti.
RNA replikatsiooni keemilised rajad
Aja jooksul, kui mitmesuguste RNA-sarnaste molekulide puljong laienes ja kasvas, omandasid mõned neist lihtsad funktsioonid nagu metabolism. Samuti võivad puhtad keemilised reaktsioonid tekitada molekulaarset mitmekesisust, et tekitada Darwini-eelne rukkiinia Woese proto-elu.
Hudi rühmal on õnnestunud laboris lõpule viia paljunemisprotsessi algfaasid, ehkki nad pole veel õppinud, kuidas liimida lühikesi segmente ilma bioloogiliste tööriistadeta. Kui nad suudavad sellest takistusest üle saada, loovad nad universaalse viisi RNA reprodutseerimiseks.
Kuid mõned teadlased kahtlevad, kas keemiliselt vahendatud reprodutseerimine on piisavalt hea, et paljundada Darudi-eelne maailm, mida Hud kirjeldab. "Ma ei tea, kas ma usun seda," ütleb Ontario Hamiltoni McMasteri ülikooli biofüüsik Paul Higgs, kes uurib elu algust. "Kõik peab toimuma piisavalt kiiresti ja täpselt, et luua järjepidevus." See tähendab, et see protsess peab tootma uusi RNA-sid kiiremini, kui nad hävitatakse, ja piisavalt täpselt, et luua matriitsmolekulide ligikaudsed koopiad.
Ainuüksi keemilistest muutustest ei piisa elu loomiseks. Proto-elu puljong vajas ikkagi mingisugust valikut, mis tagaks, et kasulikud molekulid õitsevad ja paljunevad. Nende mudelis soovitab Hada rühm, et võisid tekkida ja levida kõige lihtsamad protoensüümid, mis hakkasid nende loojatele ja laiemale ühiskonnale kasuks. Näiteks RNA molekul, mis tootis rohkem ehitusplokke, tuli kasuks endale ja naabritele, pakkudes neile paljundamiseks täiendavat toorainet. Hudi rühma läbi viidud arvutisimulatsioonid näitasid, et seda tüüpi molekulid võisid juurduda. See, kes puljongit rikastab, on väga kasulik.
Ribosomaalsed juured
Darwini-eelse maailma ühte võimalikku pilku võib näha ribosoomis - iidses molekulaartehnika tükis, mis on meie geneetilise koodi aluseks. See on ensüüm, mis muundab geneetilist teavet kodeeriva RNA valkudeks, mis viivad meie rakkudes läbi palju keemilisi reaktsioone.
Ribosoomi tuum koosneb RNA-st. See teeb ribosoomi ainulaadseks - valdav osa meie rakkude ensüümidest koosneb valkudest. Nii ribosomaalne tuum kui ka geneetiline kood on ühised kõikidele elusolenditele, mis näitab nende olemasolu elu arengu alguses, võib-olla isegi enne Darwini künnise ületamist.
Hud ja tema kolleeg Lauren Williams, samuti Georgia Tehnikaülem, osutavad ribosoomi toetamisele nende teooriaga keemiliselt määratletud maailmast. Eelmisel aastal avaldatud paberil tegid nad vastuolulise avalduse: ribosoomi tuum loodi keemilise evolutsiooni teel. Ja nad soovitasid ka, et see ilmus juba enne esimese isereplitseeruva RNA molekuli ilmumist. Ribosoomituum võis olla keemilise evolutsiooni õnnestunud katse, väidavad nad. Ja pärast juurdumist Darwini-eelsele puljongile ületas see Darwini künnise ja sai kogu elu oluliseks osaks.
Nende argument tugineb ribosomaalse tuuma, mis on ametlikult tuntud kui peptidüültransferaasikeskus (PTC), suhtelisele lihtsusele. PTC ülesanne on kokku panna aminohapped, valkude ehitusplokid. Erinevalt traditsioonilistest ensüümidest, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone, kasutades nutikaid keemilisi trikke, toimib see kuivatina. Ta veenab kahe aminohappe sidumist, eemaldades lihtsalt veemolekuli. "See on nii vilets viis reageerida," ütleb Lehman. "Valguensüümid tuginevad tavaliselt võimsamatele keemilistele strateegiatele."
Lehman märgib, et lihtsus eelnes võimule juba varastes eluetappides. “Kui mõelda elu päritolule, tuleb kõigepealt mõelda lihtsale keemiale; kõik lihtsama keemia protsessid on tõenäoliselt iidsed, ütleb ta. "Ma arvan, et see on kaalukam argument kui asjaolu, et ta kuulub kogu elu."
Vaatamata tugevatele tõenditele on endiselt raske ette kujutada, kuidas ribosoomi tuum oleks keemilise evolutsiooni tulemusel võinud tekkida. Ensüüm, mis teeb rohkem iseenesest - nagu RNA replikaator RNA maailma hüpoteesis - loob automaatselt suletud ahela, suurendades pidevalt enda tootlikkust. Seevastu ribosomaalne tuum ei tekita rohkem ribosoomi tuumasid. See tekitab aminohapete juhuslikke ahelaid. On ebaselge, kuidas see protsess peaks stimuleerima rohkemate ribosoomide tootmist.
Hud ja tema kolleegid spekuleerivad, et RNA ja valgud arenesid paralleelselt, ja kes iganes välja mõelnud, kuidas koos töötada, jäi ellu. Sellel ideel puudub RNA-maailma lihtsus, mis postuleerib ühe molekuli olemasolu, mis on võimeline samaaegselt kodeerima teavet ja katalüüsima keemilisi reaktsioone. Kuid Hud usub teisiti: just keerukus lisab elu tärkamisele elegantsi.
"Arvan, et alati on liialt rõhutatud lihtsust, et üks polümeer on parem kui kaks," ütleb ta. „Konkreetsete reaktsioonide saamine võib olla lihtsam, kui kaks polümeeri töötavad koos. Võib-olla on polümeeridel algusest peale olnud lihtsam koos töötada.”
Ajakirja Quanta materjalide põhjal
