Kuinka elämä onnistui koota lukemattomia osia? Ainakin ensimmäiset maapallon elämänmuodot tarvitsivat tavan tietojen tallentamiseen ja toistamiseen. Vasta sitten he voivat tehdä kopioita itsestään ja levitä ympäri maailmaa. Ehkä kemialla oli paljon tärkeämpi rooli elämän alkuperässä kuin aiemmin ajateltiin.
Yksi vaikuttavimmista hypoteeseista on, että kaikki alkoi RNA: lta, molekyyliltä, joka voi samanaikaisesti tallentaa geenitietueita ja laukaista kemiallisia reaktioita. "RNA-maailman" hypoteesi ilmenee monissa muodoissa, mutta perinteisimmän mukaan elämä alkoi RNA-molekyylin muodostumisesta, joka kykenee tuottamaan itsensä. Hänen jälkeläistensä kehitti kyvyn suorittaa monia tehtäviä, kuten tehdä uusia yhdisteitä ja varastoida energiaa. Ajan myötä vaikea elämä seurasi.
Tutkijat ovat kuitenkin havainneet, että itsetoistuvaa RNA: ta on yllättävän vaikea luoda laboratoriossa. Ne ovat onnistuneet, mutta tähän mennessä tehdyt ehdokasmolekyylit voivat tuottaa vain tietyn sekvenssin tai pituuden RNA: ta. Lisäksi nämä RNA-molekyylit ovat itsessään melko monimutkaisia, mikä herättää kysymyksiä siitä, kuinka ne olisivat voineet muodostua kemiallisen onnettomuuden tahdosta.
Nick Hud, Georgian teknillisen instituutin kemisti, ja hänen kollegansa päättivät mennä biologian ulkopuolelle ja tutkia kemian mahdollista roolia elämän alkuperässä. Ehkä ennen biologian syntymistä oli alkuelämän alustava vaihe, jossa vain kemialliset prosessit loivat RNA: n ja RNA: n kaltaisten molekyylien "buffetin". "Mielestäni oli olemassa useita askeleita, jotka johtivat itsetoistuvaan itsensä ylläpitämiseen", Hud sanoo.
Tässä skenaariossa voitaisiin muodostaa spontaanisti erilaisia RNA: n kaltaisia molekyylejä, mikä auttoi kemiallista liemettä keksimään samanaikaisesti monia yksityiskohtia, jotka ovat välttämättömiä elämän kehittämiselle. Proto-elämän muodot kokeiltiin primitiivisen molekyylitekniikan avulla ottamalla se erilleen kappaleelta. Koko järjestelmä toimi kuin jättiläinen murskaus. Vasta kun tällainen järjestelmä perustettiin, syntyi itsetoistuva RNA.
Hudin ehdotuksen ytimessä on kemiallinen keino luoda niin monimuotoinen alkuelämä. Tietokonesimulaatiot osoittavat, että tietyt kemialliset olosuhteet voivat tuottaa monipuolisen kokoelman RNA: n kaltaisia molekyylejä. Ryhmä testaa tällä hetkellä tätä ideaa laboratoriossa olevien todellisten molekyylien kanssa ja toivoo saavansa tulokset pian.
Hudin ryhmä valmistaa tietä useille tutkijoille, jotka haastavat perinteisen RNA-maailman hypoteesin ja sen riippuvuuden biologisesta, ei kemiallisesta evoluutiosta. Perinteisessä mallissa luotiin uusi molekyylitekniikka käyttämällä biologisia katalyyttejä - entsyymejä - kuten nykyisten solujen tapauksessa. Hudin proto-elämävaiheen aikana lukemattomia RNA- tai RNA-kaltaisia molekyylejä voitiin muodostaa ja muuttaa puhtaasti kemiallisin keinoin. "Kemiallinen kehitys olisi voinut auttaa elämän aloittamisessa ilman entsyymejä", Hud sanoo.
Mainosvideo:
Hud ja hänen kollegansa päättivät mennä pidemmälle ja olettaa, että ribosomi, joka on nykyään ainoa biologisen tekniikan pala kaikissa elävissä asioissa, tuli täysin pelkästään kemiasta. Tämä on epätavallinen tapa katsoa asioita, koska monet uskovat, että ribosomi syntyi biologian kautta.
Jos Hudin joukkue pystyy luomaan proto-elämän muotoja olosuhteissa, joita olisi voinut olla olemassa varhaisessa maapallossa, voidaan olettaa, että kemiallisella evoluutiolla voi olla ollut huomattavasti merkittävämpi rooli elämän alkuperässä kuin tutkijat odottivat. "Darwinian evoluutiota on saattanut edeltää evoluution yksinkertaisempi muoto", sanoo Niels Lehman, biokemialainen Portlandin yliopistossa Oregonissa.
Darwinian aikainen maailma
Kun suurin osa ajattelee evoluutiota, tulee mieleen darwinilainen evoluutio, jossa organismit kilpailevat keskenään rajallisista resursseista ja välittävät geneettistä tietoa jälkeläisilleen. Jokaisessa sukupolvessa tehdään geneettiset korjaukset, ja menestyneimmät jälkeläiset selviävät siirtääkseen geeninsä. Tämä evoluutiomalli vallitsee nykyajan elämässä.
Kuuluisa biologi, joka antoi meille nykyaikaisen elämänpuun, Karl Woese uskoi, että darwinilaista aikakautta edelsi varhainen elämän vaihe, jota hallitsivat täysin erilaiset evoluutiovoimat. Woese uskoi, että yhden solun on melkein mahdotonta saada kaikkea elääkseen tarvitsemansa. Siksi hän kuvasi runsaasti erilaisia molekyylejä, jotka osallistuivat yhteisölliseen olemassaoloon. Sen sijaan, että kilpailisivat keskenään, primitiivisoluilla oli yhteisiä molekyyliinnovaatioita. Tämä darwiinia edeltävä liemi loi monimutkaiselle elämälle tarvittavat aineosat, tasoittaen tietä upeaan menageriin, jota näemme tänään maan päällä.
Hudin malli vie Woesen darwiinista edeltäneen aikavision entisestään ajassa taaksepäin, tarjoamalla primitiivisoluille kemialliset keinot molekyylin monimuotoisuuden luomiseksi. Yksi proto-elämän muoto voisi suunnitella tavan luoda itsensä luomiseen tarvittavat lohkot, toinen voisi löytää tavan saada energiaa. Tämä malli eroaa RNA-maailman perinteisestä hypoteesista sen riippuvuudella kemiallisesta eikä biologisesta evoluutiosta.
RNA-maailmassa ensimmäiset RNA-molekyylit lisääntyivät itseään käyttämällä sisäänrakennettua entsyymiä ribotsyymiä, joka koostuu RNA: sta. Hudin alkuelämän maailmassa tämä tehtävä suoritettiin yksinomaan kemiallisilla menetelmillä. Tarina alkaa RNA: n kaltaisten molekyylien kemiallisella keitolla. Useimmat olivat lyhyitä, koska lyhyet ketjut muodostuisivat todennäköisesti spontaanisti, mutta voi olla myös pidempiä, monimutkaisia molekyylejä. Hudin malli kuvaa kuinka pidempiä molekyylejä voitaisiin tuottaa uudelleen ilman entsyymin apua.
Hud uskoo, että prebioottisessa maailmassa primaarinen RNA-lieme läpäisi säännölliset lämmitys- ja jäähdytysjaksot ja tuli paksuksi ja viskoosiksi. Lämpö erotti sitoutuneet RNA-parit, ja viskoosinen liuos piti molekyylejä erillään hetkeksi. Sillä välin pienet RNA-segmentit, vain muutaman merkin pituiset, kiinnittyvät jokaiseen pitkään juosteeseen. Nämä pienet segmentit ommeltiin vähitellen yhteen, muodostaen uuden RNA-juosteen, joka vastaa alkuperäistä pitkää juostetta. Sitten sykli aloitettiin uudestaan.
RNA-replikaation kemialliset reitit
Ajan myötä, kun useiden RNA: n kaltaisten molekyylien lieme laajeni ja kasvoi, osa niistä sai yksinkertaisia toimintoja, kuten aineenvaihduntaa. Samoin puhtaat kemialliset reaktiot voisivat tuottaa molekyylin monimuotoisuutta luomalla Woesin alkuelämän Darwini-aikaista runsaudensarjaa.
Hud-ryhmä on onnistunut saattamaan loppuun lisääntymisprosessin varhaiset vaiheet laboratoriossa, vaikka he eivät ole vielä oppineet liimaamaan lyhyitä segmenttejä turvautumatta biologisiin työkaluihin. Jos he pystyvät voittamaan tämän esteen, he luovat universaalin tavan toistaa RNA.
Jotkut tutkijat epäilevät kuitenkin, että kemiallisesti välitetty lisääntyminen on riittävän hyvää Hudin kuvaaman Darwini-aikaisen maailman lisääntymiselle. "En tiedä uskonko siihen", sanoo Paul Higgs, biofyysikko McMaster Universitystä Hamiltonista, Ontario, joka tutkii elämän alkuperää. "Kaikkien on tapahduttava riittävän nopeasti ja tarkasti johdonmukaisuuden luomiseksi." Toisin sanoen tämän prosessin on tuotettava uusia RNA: ta nopeammin kuin ne tuhoutuvat, ja riittävän tarkasti, jotta saadaan suunnilleen kopioita templaattimolekyyleistä.
Pelkästään kemialliset muutokset eivät riitä elämän luomiseen. Proto-elämän lieme tarvitsi silti jonkinlaista valintaa, joka takaisi hyödyllisten molekyylien menestymisen ja lisääntymisen. Hadan ryhmä ehdottaa heidän mallissaan, että yksinkertaisia protoentsyymejä olisi voinut syntyä ja leviää, mikä alkoi hyödyttää niiden luojaa ja koko yhteiskuntaa. Esimerkiksi RNA-molekyyli, joka tuotti enemmän rakennuspalikoita, hyötyi itsestään ja naapureistaan tarjoamalla heille lisää raaka-aineita lisääntymiseen. Hud-ryhmän suorittamat tietokonesimulaatiot osoittivat, että tämäntyyppinen molekyyli voisi hyvin juurtua. Se, joka rikastaa liemiä, on erittäin hyödyllinen.
Ribosomaaliset juuret
Yksi mahdollinen pilkkomus darwiinia edeltäneestä maailmasta voidaan nähdä ribosomissa, muinaisessa kappaleessa molekyylikoneistosta, joka on perimämme koodin alla. Se on entsyymi, joka muuntaa RNA: n, joka koodaa geneettistä tietoa, proteiineiksi, jotka suorittavat monia kemiallisia reaktioita soluissamme.
Ribosomin ydin koostuu RNA: sta. Tämä tekee ribosomista ainutlaatuisen - suurin osa solumme entsyymeistä koostuu proteiineista. Sekä ribosomaalinen ydin että geneettinen koodi ovat yhteisiä kaikille eläville olennoille, mikä osoittaa niiden olemassaolon elämän evoluution alussa, mahdollisesti jo ennen Darwinian kynnyksen ylittämistä.
Hud ja hänen kollegansa Lauren Williams, myös Georgia Tech, viittaavat ribosomiin tukemaan heidän teoriaansa kemiallisesti määritellystä maailmasta. Viime vuonna julkaistussa lehdessä he esittivät kiistanalaisen lausunnon: ribosomin ydin luotiin kemiallisen evoluution avulla. Ja he ehdottivat myös, että se ilmestyi jo ennen ensimmäisen itsensä replikoivan RNA-molekyylin ilmestymistä. Ribosomaalinen ydin on saattanut olla menestyvä kokeilu kemiallisessa evoluutiossa, he sanovat. Ja kun se oli juurtunut darwiinia edeltävään liemeen, se ylitti Darwinian kynnyksen ja siitä tuli tärkeä osa koko elämää.
Heidän argumenttinsa perustuu ribosomaalisen ytimen, muodollisesti nimellä peptidyylitransferaasikeskus (PTC), suhteellisen yksinkertaisuuteen. PTC: n tehtävänä on koota aminohapot, proteiinien rakennuspalikat. Toisin kuin perinteiset entsyymit, jotka nopeuttavat kemiallisia reaktioita”älykkäillä kemiallisilla temppuilla”, se toimii kuivatusaineena. Hän vakuuttaa kaksi aminohappoa sitoutumaan yksinkertaisesti poistamalla vesimolekyylin. "Se on niin huono tapa torjua reaktio", Lehman sanoo. "Proteiinientsyymit luottavat yleensä tehokkaampiin kemiallisiin strategioihin."
Lehman toteaa, että yksinkertaisuus edelsi todennäköisesti valtaa elämän varhaisissa vaiheissa.”Kun ajattelet elämän alkuperää, sinun on ensin ajateltava yksinkertaista kemiaa; kaikki yksinkertaimman kemian prosessit ovat todennäköisesti vanhoja, hän sanoo. "Mielestäni tämä on pakottavampi argumentti kuin se, että hän kuuluu koko elämään."
Vahvista todisteista huolimatta on edelleen vaikea kuvitella, kuinka ribosomaalinen ydin olisi voinut syntyä kemiallisen evoluution seurauksena. Entsyymi, joka tekee enemmän itsestään - kuten RNA-replikaattori RNA-maailman hypoteesissa - luo automaattisesti suljetun silmukan, lisäämällä jatkuvasti omaa tuottavuuttaan. Sitä vastoin ribosomaalinen ydin ei tuota enemmän ribosomaalisia ytimiä. Se tuottaa satunnaisia aminohappoketjuja. On epäselvää, kuinka tämän prosessin tulisi stimuloida lisää ribosomien tuotantoa.
Hud ja hänen kollegansa spekuloivat, että RNA ja proteiinit kehittyivät rinnakkain, ja kuka keksi kuinka työskennellä yhdessä, selvisi. Tästä ajatuksesta puuttuu RNA-maailman yksinkertaisuus, mikä olettaa yhden molekyylin olemassaolon, joka kykenee samanaikaisesti koodaamaan tietoja ja katalysoimaan kemiallisia reaktioita. Mutta Hud uskoo toisin: se on monimutkaisuus, joka lisää eleganssia elämän syntyyn.
"Uskon, että yksinkertaisuuteen on aina painottu liikaa, että yksi polymeeri on parempi kuin kaksi", hän sanoo.”Voi olla helpompaa saada erityisiä reaktioita, jos kaksi polymeeriä toimivat yhdessä. Polymeerien on saattanut olla helpompaa työskennellä yhdessä alusta alkaen.”
Perustuu Quanta-lehden materiaaleihin