Cum a reușit viața să îmbine multitudinea de piese? Cel puțin, primele forme de viață de pe Pământ aveau nevoie de un mod de a stoca și reproduce informația. Abia atunci pot face copii ale lor și răspândiți în întreaga lume. Poate că chimia a jucat un rol mult mai important în originea vieții decât se credea anterior.
Una dintre cele mai influente ipoteze este că totul a început cu ARN, o moleculă care poate înregistra simultan înregistrările genetice și poate declanșa reacții chimice. Ipoteza „lumii ARN” se manifestă sub multe forme, dar, conform celor mai tradiționale, viața a început cu formarea unei molecule de ARN capabile să se reproducă. Descendenții ei au dezvoltat capacitatea de a îndeplini multe sarcini, cum ar fi fabricarea de noi compuși și stocarea de energie. În timp, a urmat o viață dificilă.
Cu toate acestea, oamenii de știință au descoperit că ARN autoreplicant este surprinzător de dificil de creat în laborator. Au reușit, dar moleculele candidate făcute până în prezent nu pot reproduce decât ARN-ul unei anumite secvențe sau lungimi. În plus, aceste molecule ARN în sine sunt destul de complexe, ceea ce ridică întrebări despre cum ar fi putut fi formate din voința unui accident chimic.
Nick Hud, chimist la Institutul de Tehnologie din Georgia și colegii săi au decis să depășească biologia și să studieze posibilul rol al chimiei în originea vieții. Poate că, înainte de apariția biologiei, a existat o etapă preliminară a proto-vieții, în care doar procesele chimice au creat un „bufet” de ARN și molecule asemănătoare cu ARN. „Cred că au fost destul de mulți pași care au dus la un sistem de auto-replicare de auto-susținere”, spune Hud.
În acest scenariu, diverse molecule asemănătoare ARN-ului ar putea fi formate spontan, ajutând bulionul chimic să inventeze simultan multe dintre detaliile necesare dezvoltării vieții. Formele de viață proto-experimentată cu inginerie moleculară primitivă, luând-o bucată cu bucată. Întregul sistem a funcționat ca o zdrobitură uriașă. Abia atunci când a fost creat un astfel de sistem, a apărut ARN-ul care se re-autoreplică.
În centrul propunerii lui Hud se află mijlocul chimic de a crea o varietate atât de bogată de proto-viață. Simulările computerului arată că anumite condiții chimice pot produce o colecție diversă de molecule asemănătoare ARN-ului. Echipa testează în prezent această idee cu molecule reale în laborator și speră să prezinte rezultate în curând.
Grupul lui Hud deschide calea către o serie de cercetători care contestă ipoteza tradițională a lumii ARN și dependența acesteia de evoluția biologică, mai degrabă decât cea chimică. În modelul tradițional, o nouă inginerie moleculară a fost creată folosind catalizatori biologici - enzime - cum este cazul celulelor moderne. În timpul stadiului proto-de viață al lui Hud, multitudinea de ARN sau molecule asemănătoare cu ARN pot fi formate și modificate folosind mijloace pur chimice. „Evoluția chimică ar fi putut contribui la începerea vieții fără enzime”, spune Hud.
Video promotional:
Hud și colegii săi au decis să meargă mai departe și să presupună că ribozomul, singura piesă de inginerie biologică prezentă în toate lucrurile vii astăzi, a ieșit în întregime doar din chimie. Acesta este un mod neobișnuit de a privi lucrurile, deoarece mulți cred că ribozomul s-a născut din biologie.
Dacă echipa lui Hud poate crea forme de proto-viață în condiții care ar fi putut exista pe Pământul timpuriu, se poate presupune că evoluția chimică ar fi putut juca un rol mult mai semnificativ la originea vieții decât se așteptau oamenii de știință. „Evoluția darwinistă ar fi putut fi precedată de o formă mai simplă de evoluție”, spune Niels Lehman, un biochimist la Universitatea Portland din Oregon.
Lumea pre-darwiniană
Când cei mai mulți se gândesc la evoluție, ne vine în minte evoluția darwiniană, în care organismele concurează între ele pentru resurse limitate și transmit informații genetice descendenților lor. Fiecare generație suferă corecții genetice, iar urmașii cei mai de succes supraviețuiesc pentru a transmite genele lor. Acest mod de evoluție predomină în viața modernă.
Karl Woese, faimosul biolog care ne-a oferit pomul modern al vieții, credea că epoca darwiniană a fost precedată de o etapă timpurie a vieții, guvernată de forțe evolutive complet diferite. Woese credea că ar fi aproape imposibil ca o singură celulă să obțină tot ce are nevoie pentru a trăi. Prin urmare, el a avut în vedere o bogată varietate de molecule implicate în existența comunală. În loc să concureze între ele, celulele primitive au împărtășit inovații moleculare. Acest bulion pre-darwinian a creat ingredientele necesare pentru o viață complexă, deschizând calea pentru minunatoarea magnifică pe care o vedem astăzi pe Pământ.
Modelul lui Hud preia viziunea timpului pre-darwinistă a lui Woese chiar mai departe în timp, oferind celulelor primitive mijloace chimice pentru a crea diversitate moleculară. O formă de proto-viață ar putea concepe o modalitate de a crea blocurile de care avea nevoie pentru a se crea singură, o altă ar putea găsi o modalitate de a obține energie. Acest model diferă de ipoteza tradițională a lumii ARN în dependența sa de evoluția chimică și nu biologică.
În lumea ARN, primele molecule de ARN s-au reprodus singure folosind enzima ribozimă încorporată, care este compusă din ARN. În lumea proto-vieții lui Hud, această sarcină a fost realizată exclusiv prin metode chimice. Povestea începe cu o supă chimică de molecule asemănătoare cu ARN. Majoritatea erau scurte, întrucât lanțurile scurte s-ar forma cel mai probabil în mod spontan, dar pot exista și molecule mai lungi și complexe. Modelul lui Hud descrie modul în care moleculele mai lungi ar putea fi reproduse fără ajutorul unei enzime.
Hud consideră că în lumea prebiotică, bulionul de ARN primar a trecut prin cicluri regulate de încălzire și răcire și a devenit gros și vâscos. Căldura a separat perechile de ARN legate, iar soluția vâscoasă a menținut moleculele separate pentru un timp. Între timp, mici segmente de ARN, numai câteva caractere în lungime, sunt atașate la fiecare catenă lungă. Aceste segmente mici s-au legat treptat împreună, formând o nouă catenă ARN corespunzătoare catenelor lungi inițiale. Apoi ciclul a început din nou.
Căi chimice de replicare ARN
De-a lungul timpului, pe măsură ce bulionul unei varietăți de molecule asemănătoare cu ARN s-a extins și a crescut, unele dintre ele au dobândit funcții simple precum metabolismul. De asemenea, reacțiile chimice pure ar putea produce o diversitate moleculară pentru a crea o cornucopie pre-darwiniană a proto-vieții Woese.
Grupul lui Hud a reușit să finalizeze etapele timpurii ale procesului de reproducere în laborator, deși încă nu au învățat cum să lipiți segmente scurte fără a apela la instrumente biologice. Dacă pot depăși acest obstacol, vor crea un mod universal de reproducere a ARN-ului.
Cu toate acestea, unii oameni de știință se îndoiesc că reproducerea mediată chimic va fi suficient de bună pentru a reproduce lumea pre-darwiniană pe care o descrie Hud. „Nu știu dacă cred asta”, spune Paul Higgs, un biofizician la Universitatea McMaster din Hamilton, Ontario, care studiază originile vieții. "Totul trebuie să se întâmple rapid și suficient de precis pentru a crea consecvență." Adică, acest proces trebuie să producă noi ARN-uri mai repede decât sunt distruse și suficient de exact pentru a crea copii aproximative ale moleculelor șablon.
Singurele schimbări chimice nu sunt suficiente pentru a aduce viață. Bulionul de proto-viață mai avea nevoie de un fel de selecție care să asigure că moleculele benefice vor prospera și se vor multiplica. În modelul lor, grupul lui Hada sugerează că cele mai simple proto-enzime ar fi putut să apară și să se răspândească, ceea ce a început să beneficieze de creatorii și societatea lor în general. De exemplu, o moleculă de ARN care a produs mai multe blocuri de construcții a beneficiat pe sine și vecinii săi, oferindu-le cu materii prime suplimentare pentru reproducere. Simulările computerizate efectuate de grupul lui Hud au arătat că acest tip de molecule ar putea să prindă rădăcină. Cel care îmbogățește bulionul este foarte util.
Rădăcinile ribozomale
O posibilă strălucire a lumii pre-darwiniene poate fi văzută în ribozom, o piesă străveche a mașinii moleculare care stă la baza codului nostru genetic. Este o enzimă care traduce ARN, care codifică informațiile genetice, în proteine care efectuează multe reacții chimice în celulele noastre.
Nucleul ribozomului este compus din ARN. Acest lucru face ca ribozomul să fie unic - marea majoritate a enzimelor din celulele noastre sunt formate din proteine. Atât nucleul ribozomal, cât și codul genetic sunt comune tuturor celor vii, ceea ce indică existența lor chiar la începutul evoluției vieții, posibil chiar înainte de trecerea pragului darwinist.
Hud și colegul său Lauren Williams, de asemenea de la Georgia Tech, arată că ribozomul susține teoria lor despre lumea definită chimic. Într-o lucrare publicată anul trecut, aceștia au făcut o declarație controversată: miezul ribozomului a fost creat prin evoluția chimică. Și, de asemenea, au sugerat să apară chiar înainte de apariția primei molecule de ARN auto-replicant. Pot spune că nucleul ribozomal a fost un experiment de succes în evoluția chimică. Și după ce s-a înrădăcinat în bulionul pre-darwinian, a trecut pragul darwinian și a devenit o parte importantă din toată viața.
Argumentul lor se bazează pe relativitatea simplității nucleului ribozomal, cunoscut formal ca centrul peptidil transferazei (PTC). Sarcina PTC este de a pune împreună aminoacizii, blocurile de proteine. Spre deosebire de enzimele tradiționale, care accelerează reacțiile chimice folosind „trucuri chimice inteligente”, funcționează ca un desicant. El convinge doi aminoacizi să se lege prin simpla îndepărtare a moleculei de apă. „Este o modalitate atât de slabă de a încerca o reacție”, spune Lehman. "Enzimele proteice se bazează de obicei pe strategii chimice mai puternice."
Lehman observă că simplitatea a precedat probabil puterea în primele etape ale vieții. „Când te gândești la originea vieții, trebuie mai întâi să te gândești la chimia simplă; orice proces al celei mai simple chimii este probabil să fie străvechi, spune el. "Cred că acesta este un argument mai convingător decât faptul că ea aparține întregii vieți."
În ciuda unor dovezi puternice, este încă dificil de imaginat cum ar fi putut fi creat nucleul ribozomic ca urmare a evoluției chimice. O enzimă care face mai mult de la sine - ca un replicator ARN în ipoteza lumii ARN - creează automat o buclă închisă, crescând constant propria productivitate. În schimb, nucleul ribozomal nu produce mai mulți nuclei ribozomali. Produce lanțuri aleatoare de aminoacizi. Nu este clar cum acest proces ar trebui să stimuleze producerea mai multor ribozomi.
Hud și colegii săi speculează că ARN și proteinele s-au dezvoltat în tandem, și cine și-a dat seama cum să lucreze împreună a supraviețuit. Această idee îi lipsește simplitatea lumii ARN, care postulează existența unei singure molecule capabile să codifice simultan informațiile și să catalizeze reacțiile chimice. Dar Hud crede altfel: complexitatea este cea care adaugă eleganță apariției vieții.
„Cred că a existat întotdeauna un exces de accent pe simplitate, că un polimer este mai bun decât doi”, spune el. „Poate fi mai ușor să obții reacții specifice dacă cei doi polimeri lucrează împreună. Este posibil să fi fost mai ușor pentru polimeri să lucreze împreună de la început."
Bazat pe materiale din Revista Quanta
