Как животът успя да събере безброй части? Най-малкото, първите форми на живот на Земята се нуждаеха от начин за съхранение и възпроизвеждане на информация. Само тогава те могат да правят копия от себе си и да се разпространяват по света. Може би химията изигра много по-важна роля в произхода на живота, отколкото се смяташе досега.
Една от най-влиятелните хипотези е, че всичко е започнало с РНК, молекула, която може едновременно да записва генетични записи и да предизвиква химични реакции. Хипотезата за „света на РНК“се проявява под много форми, но според най-традиционните животът започва с образуването на молекула РНК, способна да се възпроизвежда. Нейните потомци развиват способността да изпълняват много задачи като изработване на нови съединения и съхраняване на енергия. С течение на времето последва труден живот.
Учените обаче са открили, че самостоятелно репликиращата се РНК е изненадващо трудна за създаване в лабораторията. Те са успели, но направените до момента кандидат-молекули могат да възпроизвеждат РНК само с определена последователност или дължина. В допълнение, самите тези РНК молекули са доста сложни, което повдига въпроси как биха могли да се образуват по волята на химическа авария.
Ник Хъд, химик от Технологичния институт в Джорджия, и неговите колеги решиха да надхвърлят биологията и да изучат възможната роля на химията в произхода на живота. Може би преди появата на биологията е имало предварителен етап на протоживот, в който само химичните процеси създават „бюфет“от РНК и РНК-подобни молекули. „Мисля, че имаше доста стъпки, които доведоха до самовъзпроизвеждаща се самоподдържаща се система“, казва Хъд.
При този сценарий различни молекули, подобни на РНК, биха могли да се образуват спонтанно, което помага на химическия бульон да измисли едновременно много от подробностите, необходими за развитието на живота. Формите на живот на живот експериментират с примитивно молекулярно инженерство, разделяйки го частично по парче. Цялата система работеше като гигантска криза. Едва когато беше създадена такава система, се появи самовъзпроизвеждаща се РНК.
В основата на предложението на Худ е химическото средство за създаване на толкова богато разнообразие от прото-живот. Компютърните симулации показват, че определени химически условия могат да произведат разнообразна колекция от молекули, подобни на РНК. В момента екипът тества тази идея с истински молекули в лабораторията и се надява скоро да представи резултати.
Групата на Хъд проправя пътя на редица изследователи, които оспорват традиционната хипотеза на света на РНК и нейната зависимост от биологичната, а не химическата еволюция. В традиционния модел е създадено ново молекулно инженерство с помощта на биологични катализатори - ензими - както е при съвременните клетки. По време на етапа на живот на Hud, мириадите от РНК или РНК-подобни молекули могат да се формират и променят с помощта на чисто химически средства. „Химическата еволюция би могла да помогне за започване на живот без ензими“, казва Хъд.
Промоционално видео:
Хъд и неговите колеги решиха да отидат по-нататък и признаха, че рибозомата, единственото парче биологично инженерство, присъстващо във всички живи същества днес, е изцяло от химията. Това е необичаен начин на гледане на нещата, тъй като мнозина смятат, че рибозомата се е родила от биологията.
Ако екипът на Хъд може да създаде форми на протоживот в условия, които биха могли да съществуват на ранна Земя, може да се предположи, че химическата еволюция може да е изиграла много по-значима роля в произхода на живота, отколкото учените очакваха. „Дарвиновата еволюция може би е била предшествана от по-проста форма на еволюция“, казва Нилс Леман, биохимик от Портландския университет в Орегон.
Пред-дарвинистки свят
Когато повечето мислят за еволюцията, на ум идва науката Дарвин, в която организмите се състезават помежду си за ограничени ресурси и предават генетична информация на своите потомци. Всяко поколение претърпява генетични корекции и най-успешното потомство оцелява, за да предаде своите гени. Този начин на еволюция преобладава в съвременния живот.
Карл Уайз, известният биолог, който ни даде съвременното дърво на живота, вярваше, че епохата на Дарвините е предшествана от ранен стадий на живота, управляван от напълно различни еволюционни сили. Уийз вярваше, че би било почти невъзможно една клетка да получи всичко необходимо за живот. Следователно той предвижда богато разнообразие от молекули, участващи в комуналното съществуване. Вместо да се състезават помежду си, примитивните клетки споделят молекулярни иновации. Този бульон от преди дарвинистите създаде необходимите за сложния живот съставки, проправяйки пътя към великолепната менажерия, която виждаме на Земята днес.
Моделът на Хъд отнема пред-дарвининското време на Визия още повече назад във времето, предоставяйки на примитивните клетки химическите средства за създаване на молекулно разнообразие. Една форма на прото-живот би могла да измисли начин за създаване на блоковете, необходими за да се създаде, а друга може да намери начин за получаване на енергия. Този модел се различава от традиционната хипотеза на света на РНК по своята зависимост от химическата, а не от биологичната еволюция.
В света на РНК първите молекули на РНК се възпроизвеждат с помощта на вградения ензим рибозим, който е съставен от РНК. В света на протоживота на Худ тази задача се изпълняваше изключително чрез химически методи. Историята започва с химическа супа от молекули, подобни на РНК. Повечето бяха къси, тъй като късите вериги най-вероятно ще се образуват спонтанно, но може да има и по-дълги сложни молекули. Моделът на Худ описва как по-дългите молекули могат да се възпроизвеждат без помощта на ензим.
Хъд вярва, че в пребиотичния свят първичният РНК бульон премина през редовни цикли на нагряване и охлаждане и стана гъст и вискозен. Топлината разделя свързаните двойки РНК и вискозният разтвор задържа молекулите известно време. Междувременно малки сегменти от РНК с дължина само няколко знака са прикрепени към всеки дълъг кичур. Тези малки сегменти постепенно се зашиват, образувайки нова РНК верига, съответстваща на първоначалната дълга верига. Тогава цикълът започна отново.
Химически пътища за репликация на РНК
С течение на времето, докато бульонът от различни РНК-подобни молекули се разширяваше и растеше, някои от тях придобиха прости функции като метаболизма. По същия начин, чистите химически реакции могат да доведат до молекулно разнообразие, за да създадат пред-дарвинистическа рог на изобилието от прожития на Уийз.
Групата на Хъд успя да завърши ранните етапи на процеса на възпроизвеждане в лабораторията, въпреки че все още не са се научили как да залепят къси сегменти, без да прибягват до биологични инструменти. Ако успеят да преодолеят това препятствие, те ще създадат универсален начин за възпроизвеждане на РНК.
Някои учени обаче се съмняват, че химически медиираното възпроизвеждане ще бъде достатъчно добро за възпроизвеждане на пред-дарвинисткия свят, който Хъд описва. „Не знам дали вярвам в това“, казва Пол Хигс, биофизик от университета Макмастър в Хамилтън, Онтарио, който изучава произхода на живота. „Всичко трябва да се случи достатъчно бързо и точно, за да създаде последователност.“Тоест, този процес трябва да произвежда нови РНК по-бързо, отколкото те са унищожени и достатъчно точно, за да създадат приблизителни копия на шаблонни молекули.
Химическите промени сами по себе си не са достатъчни, за да доведат до живот. Бульонът от протоживота все още се нуждаеше от селекция, която да гарантира, че полезните молекули ще процъфтяват и се размножават. В своя модел групата на Хада предполага, че най-простите прото ензими биха могли да се появят и разпространят, което започна да е от полза за техните създатели и като цяло за обществото. Например молекула на РНК, която произвежда повече градивни елементи, се възползва от себе си и своите съседи, като им предоставя допълнителни суровини за възпроизвеждане. Компютърните симулации, проведени от групата на Хъд, показаха, че този тип молекули могат да се вкоренят. Този, който обогатява бульона е много полезен.
Рибосомални корени
Един възможен поглед върху пред-дарвинисткия свят може да се види в рибозомата, древно парче от молекулярната машина, което е в основата на нашия генетичен код. Това е ензим, който превежда РНК, която кодира генетичната информация, в протеини, които провеждат много химични реакции в нашите клетки.
Ядрото на рибозомата е съставено от РНК. Това прави рибозомата уникална - по-голямата част от ензимите в нашите клетки са изградени от протеини. Както рибозомното ядро, така и генетичният код са общи за всички живи същества, което показва тяхното съществуване в самото начало на еволюцията на живота, вероятно още преди да бъде прекрачен Дарвининовият праг.
Хъд и колегата му Лорън Уилямс, също от Джорджия Тех, посочват рибозомата като подкрепяща теорията им за химически определен свят. В статия, публикувана миналата година, те направиха противоречиво твърдение: ядрото на рибозомата е създадено чрез химическа еволюция. И те също предположиха, че тя се появява още преди появата на първата самовъзпроизвеждаща се РНК молекула. Рибозомното ядро може да е било успешен експеримент в химическата еволюция, казват те. И след като се вкорени в пред-дарвинисткия бульон, той прекрачи Дарвиновия праг и се превърна във важна част от целия живот.
Техният аргумент се опира на относителната простота на рибозомното ядро, официално известно като център за пептидил трансфераза (PTC). Задачата на PTC е да събере аминокиселини, градивни елементи на протеини. За разлика от традиционните ензими, които ускоряват химичните реакции, използвайки „умни химически трикове“, той действа като десикант. Той убеждава две аминокиселини да се свържат чрез просто премахване на водната молекула. "Това е толкова лош начин да се предизвика реакция", казва Леман. "Протеиновите ензими обикновено разчитат на по-мощни химически стратегии."
Леман отбелязва, че простотата вероятно е предшествала властта в най-ранните етапи на живота. „Когато мислите за произхода на живота, първо трябва да помислите за простата химия; всеки процес на най-простата химия вероятно ще бъде древен, казва той. "Мисля, че това е по-убедителен аргумент от факта, че тя принадлежи на целия живот."
Въпреки силните доказателства, все още е трудно да си представим как би могло да се създаде рибозомното ядро в резултат на химическа еволюция. Ензим, който прави повече от себе си - като РНК репликатор в хипотезата на света на РНК - автоматично създава затворен цикъл, като постоянно увеличава собствената си производителност. За разлика от тях, рибозомното ядро не произвежда повече рибозомни ядра. Той произвежда произволни вериги от аминокиселини. Не е ясно как този процес трябва да стимулира производството на повече рибозоми.
Хъд и неговите колеги спекулират, че РНК и протеини са се развили в тандем и който се сети как да работи заедно, оцелява. На тази идея липсва простотата на света на РНК, който постулира съществуването на една единствена молекула, способна едновременно да кодира информация и катализира химични реакции. Но Хъд вярва друго: именно сложността придава елегантност на възникването на живота.
„Мисля, че винаги е имало прекомерно ударение върху простотата, че един полимер е по-добър от два“, казва той. „Може да е по-лесно да получите специфични реакции, ако двата полимера работят заедно. Възможно е полимерите да работят заедно от самото начало."
Въз основа на материали от списание Quanta
