Πώς να οικοδομήσετε τη ζωή σε έναν προ-δαρβινικό κόσμο

Πώς ενώθηκαν τα μυριάδες μέρη της ζωής; Τουλάχιστον, οι πρώτες μορφές ζωής στη Γη χρειάζονταν έναν τρόπο αποθήκευσης πληροφοριών και αναπαραγωγής. Μόνο τότε θα μπορούσαν να κάνουν αντίγραφα του εαυτού τους και να διαδοθούν σε όλο τον κόσμο.

Μία από τις πιο σημαίνουσες υποθέσεις δηλώνει ότι όλα ξεκίνησαν με το RNA, ένα μόριο που μπορεί να καταγράψει γενετικά σχέδια και να προκαλέσει χημικές αντιδράσεις. Η υπόθεση του «κόσμου RNA» έρχεται σε πολλές μορφές, αλλά η πιο παραδοσιακή υποστηρίζει ότι η ζωή ξεκίνησε με το σχηματισμό ενός μορίου RNA ικανού να αναπαραχθεί. Οι απόγονοί του εξέλιξαν την ικανότητα να εκτελούν μια σειρά από εργασίες, όπως η κατασκευή νέων ενώσεων και η αποθήκευση ενέργειας. Με τον καιρό, ακολούθησε πολύπλοκη ζωή.

Ωστόσο, οι επιστήμονες βρήκαν ότι είναι εκπληκτικά δύσκολο να δημιουργήσουν αυτοαναπαραγόμενο RNA στο εργαστήριο. Οι ερευνητές είχαν κάποια επιτυχία, αλλά τα υποψήφια μόρια που έχουν κατασκευάσει μέχρι σήμερα μπορούν να αντιγράψουν μόνο ορισμένες αλληλουχίες ή ένα συγκεκριμένο μήκος RNA. Επιπλέον, αυτά τα μόρια RNA είναι από μόνα τους αρκετά περίπλοκα, εγείροντας το ερώτημα πώς θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί με τυχαία χημικά μέσα.

Ο Nick Hud, χημικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια, και οι συνεργάτες του κοιτάζουν πέρα ​​από τη βιολογία τον ρόλο της χημείας στην ανάπτυξη της ζωής. Ίσως προτού εμφανιστεί η βιολογία, υπήρχε ένα προκαταρκτικό στάδιο της πρωτόζωης, στο οποίο οι χημικές διεργασίες από μόνες τους δημιούργησαν ένα smorgasbord από RNA ή μόρια που μοιάζουν με RNA. "Νομίζω ότι υπήρχαν πολλά βήματα πριν φτάσετε σε ένα αυτοαναπαραγόμενο αυτοσυντηρούμενο σύστημα", είπε ο Χαντ.

Σε αυτό το σενάριο, μια ποικιλία μορίων που μοιάζουν με RNA θα μπορούσαν να σχηματιστούν αυθόρμητα, βοηθώντας τη χημική δεξαμενή να εφεύρει ταυτόχρονα πολλά από τα μέρη που χρειάζονται για την ανάδυση της ζωής. Μορφές πρωτοζωής πειραματίστηκαν με πρωτόγονους μοριακούς μηχανισμούς, μοιράζοντας τα μέρη τους. Ολόκληρο το σύστημα λειτούργησε σαν μια γιγάντια κοινότητα ανταλλαγής. Μόνο όταν δημιουργηθεί αυτό το σύστημα θα μπορούσε να εμφανιστεί ένα αυτοαναπαραγόμενο RNA.

Στο επίκεντρο της πρότασης του Hud βρίσκεται ένα χημικό μέσο για τη δημιουργία μιας πλούσιας ποικιλίας πρωτοζωής. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή δείχνουν ότι ορισμένες χημικές συνθήκες μπορούν να παράγουν μια ποικίλη συλλογή μορίων που μοιάζουν με RNA. Και η ομάδα αυτή τη στιγμή δοκιμάζει την ιδέα με πραγματικά μόρια στο εργαστήριο. ελπίζουν να δημοσιεύσουν τα αποτελέσματα σύντομα.

Η ομάδα του Hud οδηγεί τον δρόμο για έναν αριθμό ερευνητών που αμφισβητούν την παραδοσιακή υπόθεση του κόσμου του RNA και την εξάρτησή του από τη βιολογική και όχι τη χημική εξέλιξη. Στο παραδοσιακό μοντέλο, νέοι μοριακός μηχανισμός δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας βιολογικούς καταλύτες, γνωστούς ως ένζυμα, όπως συμβαίνει στα σύγχρονα κύτταρα. Στο στάδιο της αρχικής ζωής του Hud, μυριάδες μόρια RNA ή παρόμοια με RNA θα μπορούσαν να σχηματιστούν και να αλλάξουν μέσω καθαρά χημικών μέσων. "Η χημική εξέλιξη θα μπορούσε να είχε βοηθήσει τη ζωή να ξεκινήσει χωρίς ένζυμα", είπε ο Hud.

Ο Χαντ και οι συνεργάτες του πήγαν αυτή την ιδέα ένα βήμα παραπέρα, υποδηλώνοντας ότι το ριβόσωμα, το μόνο κομμάτι βιολογικού μηχανισμού που βρίσκεται σε όλα τα ζωντανά όντα σήμερα, εμφανίστηκε μόνο μέσω της χημείας. Αυτή είναι μια αντισυμβατική σκέψη για πολλούς στον τομέα, που πιστεύουν ότι το ριβόσωμα γεννήθηκε από τη βιολογία.

Εάν η ομάδα του Hud μπορεί να δημιουργήσει μορφές πρωτοζωής υπό συνθήκες που θα μπορούσαν να υπήρχαν στην πρώιμη Γη, θα υποδηλώσει ότι η χημική εξέλιξη μπορεί να έπαιξε πολύ πιο σημαντικό ρόλο στην προέλευση της ζωής από ό,τι περίμεναν οι επιστήμονες. «Ίσως υπήρχε κάποια απλούστερη μορφή εξέλιξης που προηγήθηκε της δαρβινικής εξέλιξης», είπε ο Niles Lehman, βιοχημικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Πόρτλαντ στο Όρεγκον.

Ο προ-Δαρβινικός κόσμος

Όταν οι περισσότεροι άνθρωποι σκέφτονται την εξέλιξη, σκέφτονται τη δαρβινική εξέλιξη, στην οποία οι οργανισμοί ανταγωνίζονται μεταξύ τους για περιορισμένους πόρους και μεταβιβάζουν γενετικές πληροφορίες στους απογόνους τους. Κάθε γενιά υφίσταται γενετικές τροποποιήσεις και οι πιο επιτυχημένοι απόγονοι επιβιώνουν για να περάσουν τα δικά τους γονίδια. Αυτός ο τρόπος εξέλιξης κυριαρχεί στη ζωή σήμερα.

Ο Carl Woese, ένας διάσημος βιολόγος που μας έδωσε το σύγχρονο δέντρο της ζωής, πίστευε ότι της Δαρβινικής εποχής είχε προηγηθεί μια πρώιμη φάση της ζωής που διέπεται από πολύ διαφορετικές εξελικτικές δυνάμεις. Ο Woese σκέφτηκε ότι θα ήταν σχεδόν αδύνατο για ένα μεμονωμένο κύτταρο να βρει αυθόρμητα όλα όσα χρειαζόταν για τη ζωή. Έτσι οραματίστηκε μια πλούσια ποικιλία μορίων που εμπλέκονται σε μια κοινή ύπαρξη. Αντί να ανταγωνίζονται μεταξύ τους, τα πρωτόγονα κύτταρα μοιράζονταν τις μοριακές καινοτομίες που επινόησαν. Μαζί, η προ-Δαρβινική δεξαμενή δημιούργησε τα εξαρτήματα που απαιτούνται για περίπλοκη ζωή, προετοιμάζοντας την πρώιμη Γη για την εμφάνιση του υπέροχου θηροτροφείου που βλέπουμε σήμερα.

Το μοντέλο του Hud οδηγεί το προ-Δαρβινικό όραμα του Woese ακόμα πιο πίσω στο χρόνο, παρέχοντας ένα χημικό μέσο για την παραγωγή της μοριακής ποικιλομορφίας που χρειάζονταν τα πρωτόγονα κύτταρα. Μια μορφή πρωτόζωης θα μπορούσε να είχε αναπτύξει έναν τρόπο να φτιάξει τα δομικά στοιχεία που χρειαζόταν για να κάνει περισσότερο τον εαυτό της, ενώ μια άλλη μπορεί να είχε βρει έναν τρόπο να συλλέγει ενέργεια. Το μοντέλο διαφέρει από την παραδοσιακή υπόθεση του κόσμου του RNA ως προς την εξάρτησή του από τη χημική παρά τη βιολογική εξέλιξη.

Σύμφωνα με τον κόσμο του RNA, τα πρώτα μόρια RNA αναδιπλασιάστηκαν χρησιμοποιώντας ένα ενσωματωμένο ένζυμο που ονομάζεται ριβοένζυμο που ήταν φτιαγμένο από RNA. Στον κόσμο της πρωτοζωής του Χαντ, αυτό το έργο ολοκληρώνεται με καθαρά χημικά μέσα. Η ιστορία ξεκινά με μια χημική σούπα μορίων που μοιάζουν με RNA. Τα περισσότερα από αυτά θα ήταν σύντομα, καθώς οι κοντές κλώνοι είναι πιο πιθανό να σχηματιστούν αυθόρμητα, αλλά μερικά μακρύτερα, πιο πολύπλοκα μόρια μπορεί επίσης να έχουν ενωθεί. Το μοντέλο του Hud περιγράφει πώς τα μακρύτερα μόρια μπορεί να έχουν αντιγραφεί χωρίς τη βοήθεια ενός ενζύμου.

Στο όραμα του Hud για έναν πρεβιοτικό κόσμο, η αρχέγονη σούπα RNA υποβλήθηκε σε τακτικούς κύκλους θέρμανσης και ψύξης σε ένα παχύρρευστο, παχύρρευστο διάλυμα. Η θερμότητα διαχώρισε τα δεσμευμένα ζεύγη RNA και το ιξώδες διάλυμα κράτησε τα διαχωρισμένα μόρια μακριά για λίγο. Στο μεταξύ, μικρά τμήματα RNA, μήκους λίγων μόνο γραμμάτων, κόλλησαν σε κάθε μακρύ κλώνο. Τα μικρά τμήματα τελικά ράβονταν μεταξύ τους, σχηματίζοντας έναν νέο κλώνο RNA που ταίριαζε με τον αρχικό μακρύ κλώνο. Ο κύκλος άρχισε ξανά.

Με την πάροδο του χρόνου, θα είχε συσσωρευτεί μια δεξαμενή από ποικίλα μόρια που μοιάζουν με RNA, μερικά από αυτά ικανά για απλές λειτουργίες, όπως ο μεταβολισμός. Και ακριβώς όπως αυτό, οι καθαρά χημικές αντιδράσεις θα είχαν δημιουργήσει τη μοριακή ποικιλομορφία που απαιτείται για να δημιουργηθεί η προ-Δαρβινική κερκίδα της πρωτοζωής του Woese.

Η ομάδα του Hud μπόρεσε να πραγματοποιήσει τα πρώτα στάδια της διαδικασίας αντιγραφής στο εργαστήριο, αν και δεν μπορούν ακόμη να κολλήσουν τα κοντά τμήματα χωρίς να καταφύγουν σε βιολογικά εργαλεία. Εάν μπορέσουν να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, θα έχουν δημιουργήσει έναν ευέλικτο τρόπο αντιγραφής οποιουδήποτε RNA που εμφανίζεται.

Ωστόσο, ορισμένοι επιστήμονες είναι δύσπιστοι ότι η χημική μεσολάβηση αντιγραφής θα μπορούσε να λειτουργήσει αρκετά καλά για να δημιουργήσει τον προ-Δαρβινικό κόσμο που περιγράφει ο Hud. «Δεν ξέρω αν το πιστεύω», είπε ο Paul Higgs, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο McMaster στο Χάμιλτον του Οντάριο, ο οποίος μελετά την προέλευση της ζωής. «Θα έπρεπε να είναι αρκετά ακριβές και γρήγορο για να μεταδοθεί η αλληλουχία» — δηλαδή, θα χρειαζόταν να παράγει νέα RNA πιο γρήγορα από ό,τι διασπάστηκαν και με αρκετή πιστότητα για να δημιουργήσει σχεδόν αντίγραφα του μορίου του προτύπου.

David Kaplan, Petr Stepanek και Ryan Griffin για το Quanta Magazine. μουσική από τον Kai Engel.

Βίντεο στη θεωρία: Ο David Kaplan διερευνά τις κορυφαίες θεωρίες για την προέλευση της ζωής στον πλανήτη μας.

Η χημική αλλαγή από μόνη της δεν θα ήταν αρκετή για να πυροδοτήσει την εμφάνιση της ζωής. Η δεξαμενή της πρωτοζωής θα χρειαζόταν επίσης κάποιο είδος επιλογής για να βεβαιωθεί ότι τα χρήσιμα μόρια κατάφεραν και πολλαπλασιάστηκαν. Στο μοντέλο τους, η ομάδα του Hud προτείνει ότι πολύ απλά πρωτοένζυμα μπορεί να είχαν εξαπλωθεί εάν έκαναν κάτι χρήσιμο για τον κατασκευαστή τους και την ευρύτερη κοινότητα. Για παράδειγμα, ένα μόριο RNA που κατασκεύαζε περισσότερα από τα δικά του δομικά στοιχεία θα ωφελούσε τον εαυτό του και τους γείτονές του παρέχοντας πρόσθετες πρώτες ύλες για αντιγραφή. Σε προσομοιώσεις υπολογιστή που πραγματοποίησε η ομάδα του Hud, αυτός ο τύπος μορίου πράγματι ριζώθηκε. "Εάν εμφανιστεί μια ακολουθία που κάνει κάτι χρήσιμο, τότε μπορεί να εμπλουτιστεί στην πισίνα", είπε ο Χαντ.

Ριβοσωμικές ρίζες

Μια πιθανή ματιά στον προ-Δαρβινικό κόσμο μπορεί να δει κανείς στο ριβόσωμα, ένα αρχαίο κομμάτι μοριακού μηχανισμού που βρίσκεται στην καρδιά του γενετικού μας κώδικα. Είναι ένα ένζυμο που μεταφράζει το RNA, το οποίο κωδικοποιεί τις γενετικές πληροφορίες, σε πρωτεΐνες, οι οποίες πραγματοποιούν τις πολλές χημικές αντιδράσεις στα κύτταρά μας.

Ο πυρήνας του ριβοσώματος αποτελείται από RNA. Αυτό το χαρακτηριστικό κάνει το ριβόσωμα μοναδικό - η συντριπτική πλειονότητα των ενζύμων στα κύτταρά μας αποτελείται από πρωτεΐνες. Τόσο ο ριβοσωματικός πυρήνας όσο και ο γενετικός κώδικας μοιράζονται όλα τα έμβια όντα, υποδηλώνοντας ότι ήταν παρόντα πολύ νωρίς στην εξέλιξη της ζωής, ίσως πριν περάσει το δαρβινικό κατώφλι.

Ο Hud και η συνεργάτης του Loren Williams, επίσης στην Georgia Tech, επισημαίνουν το ριβόσωμα ως υποστήριξη για τον χημικά κυριαρχούμενο κόσμο τους. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε πέρυσι, έκαναν την αμφιλεγόμενη πρόταση ότι ο πυρήνας του ριβοσώματος δημιουργήθηκε μέσω χημικής εξέλιξης. Πρότειναν επίσης ότι προέκυψε πριν από το πρώτο αυτοαναπαραγόμενο μόριο RNA. Ίσως ο ριβοσωμικός πυρήνας ήταν ένα επιτυχημένο πείραμα στη χημική εξέλιξη, είπαν. Και αφού ρίζωσε στην προ-Δαρβινική σούπα, πέρασε το δαρβινικό κατώφλι και έγινε ουσιαστικό μέρος όλης της ζωής.

Το επιχείρημά τους επικεντρώνεται στη σχετική απλότητα του ριβοσωμικού πυρήνα, πιο επίσημα γνωστό ως κέντρο πεπτιδυλικής τρανσφεράσης (PTC). Η δουλειά του PTC είναι να συγκεντρώνει αμινοξέα, τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά ένζυμα, τα οποία επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιώντας «φανταχτερά χημικά κόλπα», όπως το έθεσε η Lehman, λειτουργεί σχεδόν σαν αφυδατωτής. Υποκινεί δύο αμινοξέα να συνδεθούν απλά αφαιρώντας ένα μόριο νερού. «Είναι ένας κακός τρόπος να προκαλέσεις μια αντίδραση», είπε ο Lehman. "Τα πρωτεϊνικά ένζυμα βασίζονται συνήθως σε πιο ισχυρές χημικές στρατηγικές."

Η Lehman σημειώνει ότι η απλότητα πιθανότατα προηγήθηκε της ισχύος στα πρώτα στάδια της ζωής. «Όταν σκέφτεσαι την προέλευση της ζωής, πρέπει πρώτα να σκεφτείς την απλή χημεία. Οποιαδήποτε διαδικασία με απλή χημεία πιθανότατα θα είναι αρχαία», είπε. "Νομίζω ότι αυτό είναι πιο ισχυρό στοιχείο από το γεγονός ότι είναι [κοινόχρηστο] σε όλη τη ζωή."

Παρά τα ισχυρά στοιχεία, είναι ακόμα δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς ο ριβοσωμικός πυρήνας θα μπορούσε να έχει δημιουργηθεί από τη χημική εξέλιξη. Ένα ένζυμο που φτιάχνει περισσότερο τον εαυτό του - όπως το RNA του αναδιπλασιαστή της υπόθεσης του κόσμου του RNA - δημιουργεί αυτόματα έναν βρόχο ανάδρασης, ενισχύοντας συνεχώς τη δική του παραγωγή. Αντίθετα, ο ριβοσωμικός πυρήνας δεν παράγει περισσότερους ριβοσωμικούς πυρήνες. Παράγει τυχαίες αλυσίδες αμινοξέων. Δεν είναι σαφές πώς αυτή η διαδικασία θα ενθάρρυνε την παραγωγή περισσότερων ριβοσωμάτων. «Γιατί η δημιουργία τυχαίων πεπτιδίων θα έκανε αυτό το πράγμα καλύτερο;» είπε ο Χιγκς.

Ο Χαντ και οι συνεργάτες του προτείνουν ότι το RNA και οι πρωτεΐνες εξελίχθηκαν παράλληλα, και εκείνες που κατάλαβαν πώς να συνεργαστούν επιβίωσαν καλύτερα. Αυτή η ιδέα δεν έχει την απλότητα του κόσμου του RNA, ο οποίος θέτει ένα μόνο μόριο ικανό τόσο να κωδικοποιεί πληροφορίες όσο και να καταλύει χημικές αντιδράσεις. Αλλά ο Hud προτείνει ότι η ευκολία μπορεί να υπερισχύσει της κομψότητας στην εμφάνιση της ζωής. «Νομίζω ότι έχει δοθεί υπερβολική έμφαση σε αυτό που ονομάζουμε απλότητα, ότι ένα πολυμερές είναι απλούστερο από δύο», είπε. «Ίσως είναι ευκολότερο να πραγματοποιηθούν ορισμένες αντιδράσεις εάν δύο πολυμερή συνεργάζονται. Ίσως είναι πιο απλό για τα πολυμερή να συνεργάζονται από την αρχή."