Kako je život uspio sastaviti bezbroj dijelova? U najmanju ruku, prvi oblici života na Zemlji trebali su način za pohranu i reprodukciju informacija. Tek tada mogu sami kopirati i širiti se svijetom. Možda je kemija igrala puno važniju ulogu u nastanku života nego što se prije mislilo.
Jedna od najutjecajnijih hipoteza je da je sve počelo s RNA, molekulom koja može istovremeno bilježiti genetske zapise i pokrenuti kemijske reakcije. Hipoteza o "svijetu RNA" očituje se u mnogim oblicima, ali prema najtradicionalnijem, život je započeo formiranjem RNA molekule koja bi se mogla reproducirati. Njeni potomci razvili su sposobnost obavljanja mnogih zadataka poput stvaranja novih spojeva i skladištenja energije. S vremenom je slijedio težak život.
Međutim, znanstvenici su otkrili da je samostalno umnožavanje RNA iznenađujuće teško stvoriti u laboratoriju. Uspjeli su, ali dosadašnje molekule mogu reproducirati RNK samo određene sekvence ili duljine. Osim toga, same su ove molekule RNA prilično složene, što postavlja pitanja o tome kako su mogle nastati voljom kemijske nesreće.
Nick Hud, kemičar na Georgia Institute of Technology, i njegovi kolege odlučili su prijeći biologiju i proučiti moguću ulogu kemije u nastanku života. Možda je, prije pojave biologije, postojala preliminarna faza protoživota, u kojoj su samo kemijski procesi stvorili "bife" RNA i molekula sličnih RNA. "Mislim da je bilo dosta koraka koji su doveli do samoobnavljajućeg samoodrživog sustava", kaže Hud.
U ovom scenariju, razne molekule slične RNK-u mogle bi se formirati spontano, pomažući kemijskom bujonu da istodobno izmisli mnoge pojedinosti potrebne za razvoj života. Proto-životni oblici eksperimentirali su s primitivnim molekularnim inženjeringom razdvajajući ih pojedinačno. Čitav sustav djelovao je poput divovske krize. Tek kada je uspostavljen takav sustav, pojavila se samoobnavajuća RNA.
U središtu Hudovog prijedloga nalazi se kemijsko sredstvo stvaranja tako bogate raznolikosti proto-života. Računalne simulacije pokazuju da određeni kemijski uvjeti mogu proizvesti raznoliku kolekciju molekula sličnih RNA. Tim trenutno ovu ideju testira s pravim molekulama u laboratoriju i nada se da će uskoro pokazati rezultate.
Hudova skupina utrkuje put brojnim istraživačima koji osporavaju tradicionalnu hipotezu svijeta RNA i njezinu ovisnost o biološkoj, a ne kemijskoj evoluciji. U tradicionalnom modelu, novi molekularni inženjering nastao je korištenjem bioloških katalizatora - enzima - kao što je slučaj s modernim stanicama. Tijekom Hudovog faze proto-života, bezbroj molekula RNA ili RNA može se formirati i mijenjati isključivo kemijskim sredstvima. "Kemijska evolucija mogla bi vam pomoći započeti život bez enzima", kaže Hud.
Promotivni video:
Hud i njegovi kolege odlučili su otići dalje i pretpostavili su da ribosom, jedini komad biološkog inženjeringa koji je danas prisutan u svim živim bićima, potječe samo iz kemije. Ovo je neobičan način gledanja na stvari, jer mnogi vjeruju da je ribosom nastao biologijom.
Ako Hudov tim može stvoriti oblike protoživota u uvjetima koji su mogli postojati na ranoj Zemlji, može se pretpostaviti da je kemijska evolucija možda igrala puno značajniju ulogu u nastanku života nego što su znanstvenici očekivali. "Darwinovoj je evoluciji možda prethodio jednostavniji oblik evolucije", kaže Niels Lehman, biokemičar sa Sveučilišta Portland u Oregonu.
Predarvinski svijet
Kad većina razmišlja o evoluciji, pada na pamet Darwinova evolucija, u kojoj se organizmi natječu jedni s drugima zbog ograničenih resursa i prenose genetske informacije svojim potomcima. Svaka generacija prolazi kroz genetske korekcije, a najuspješnije potomstvo preživljava kako bi prenijelo svoje gene. Ovaj način evolucije prevladava u modernom životu.
Karl Woese, poznati biolog koji nam je dao moderno stablo života, vjerovao je da je darvinističkoj eri prethodila rana faza života kojom su vladale potpuno različite evolucijske sile. Woese je vjerovao da bi bilo gotovo nemoguće da jedna stanica dobije sve što joj je potrebno za život. Stoga je zamislio bogat izbor raznih molekula uključenih u zajedničko postojanje. Umjesto da se natječu jedna s drugom, primitivne ćelije dijelile su molekularne inovacije. Ova predarvinjska juha stvorila je sastojke potrebne za složen život, utvarajući put veličanstvenoj menageriji kakvu danas vidimo na Zemlji.
Hudov model vodi Woeseovu pred-darvinističku vremensku viziju još više unatrag, pružajući primitivnim stanicama kemijska sredstva za stvaranje molekularne raznolikosti. Jedan oblik protoživota mogao bi osmisliti način stvaranja blokova potrebnih za stvaranje samog, a drugi bi mogao pronaći način da se dobije energija. Ovaj se model razlikuje od tradicionalne hipoteze svijeta RNA po svojoj ovisnosti o kemijskoj, a ne o biološkoj evoluciji.
U svijetu RNA, prve molekule RNA reproducirale su se pomoću ugrađenog enzima ribozima, koji je sastavljen od RNA. U svijetu Hudovog protoživota ovaj zadatak se obavljao isključivo kemijskim metodama. Priča započinje kemijskom juhom molekula sličnih RNA. Većina je bila kratka, jer će se kratki lanci najvjerojatnije formirati spontano, ali mogu biti i duži, složeni molekuli. Hudov model opisuje kako se duže molekule mogu reproducirati bez pomoći enzima.
Hud vjeruje da je u prebiotičkom svijetu primarna RNA juha prošla kroz redovne cikluse grijanja i hlađenja te postala gusta i viskozna. Toplina je razdvojila povezane parove RNA, a viskozna otopina je neko vrijeme razdvajala molekule. U međuvremenu, mali segmenti RNA, samo nekoliko znakova, pričvršćeni su na svaki dugi niz. Ovi mali segmenti postepeno su spojeni, tvoreći novi RNA pramen koji odgovara izvornom dugom lancu. Tada se ciklus opet pokrenuo.
Kemijski putevi replikacije RNA
S vremenom, kako se bujica raznih molekula sličnih RNA širila i rasla, neke od njih stekle su jednostavne funkcije poput metabolizma. Isto tako, čiste kemijske reakcije mogu proizvesti molekularnu raznolikost da bi se stvorio pred-darvinski kornekopij Woese proto-života.
Hudova skupina uspjela je dovršiti rane faze procesa reprodukcije u laboratoriju, iako još nisu naučili lijepiti kratke segmente bez pribjegavanja biološkim alatima. Ako mogu prevladati ovu prepreku, stvorit će univerzalan način reprodukcije RNA.
Međutim, neki znanstvenici sumnjaju da će reprodukcija kemijski posredovanih biti dovoljno dobra da reproducira pred-darvinski svijet koji Hud opisuje. "Ne znam vjerujem li u to", kaže Paul Higgs, biofizičar sa sveučilišta McMaster u Hamiltonu u Ontariju koji proučava porijeklo života. "Sve se mora dogoditi dovoljno brzo i dovoljno točno da se stvori dosljednost." Odnosno, ovaj proces mora proizvesti nove RNK brže nego što su uništene i dovoljno točno da stvore približne kopije molekula šablona.
Kemijske promjene same nisu dovoljne za oživot. Juha proto-života još je uvijek trebala neku vrstu odabira koja bi osigurala da se korisne molekule uspijevaju i razmnožavaju. Hada skupina u svom modelu sugerira da su se najjednostavniji protoenzimi mogli pojaviti i širiti, što je počelo koristiti njihovim tvorcima i društvu u cjelini. Na primjer, molekula RNA koja je proizvela više građevinskih blokova koristila je sebi i svojim susjedima pružajući im dodatne sirovine za reprodukciju. Računalne simulacije koje je izvela Hudova grupa pokazale su da bi se ova vrsta molekula mogla dobro ukorijeniti. Onaj koji obogaćuje juhu vrlo je koristan.
Ribosomalni korijeni
Jedan mogući pogled na pred-darvinski svijet može se vidjeti u ribosomu, drevnom komadu molekularne mašinerije koji je u osnovi našeg genetskog koda. To je enzim koji prevodi RNA, koja kodira genetske informacije, u proteine koji provode mnoge kemijske reakcije u našim stanicama.
Jezgro ribosoma sastoji se od RNA. To čini ribosom jedinstvenim - ogromnu većinu enzima u našim stanicama čine proteini. I ribosomsko jezgro i genetski kod zajednički su za sva živa bića, što ukazuje na njihovo postojanje na samom početku evolucije života, možda i prije nego što je prešao darvinski prag.
Hud i njegova kolegica Lauren Williams, također iz Georgia Tech-a, ukazuju na ribosom kao potporu njihovoj teoriji o kemijski definiranom svijetu. U radu objavljenom prošle godine, dali su kontroverznu izjavu: jezgra ribosoma nastala je kemijskom evolucijom. A također su sugerirali da se pojavila i prije pojave prve molekule RNA koja se sama ponavlja. Ribosomsko jezgro možda je bilo uspješan eksperiment u kemijskoj evoluciji, kažu. A nakon što je puštao korijen u pred-darvinskom bujonu, prešao je darvinski prag i postao važan dio cijelog života.
Njihov se argument oslanja na relativnu jednostavnost ribosomalnog jezgra, formalno poznatog kao centar za peptidil-transferazu (PTC). Zadatak PTC-a je da sastavi aminokiseline, građevne bjelančevine. Za razliku od tradicionalnih enzima, koji ubrzavaju kemijske reakcije pomoću "pametnih kemijskih trikova", on djeluje kao sredstvo za sušenje. Dvije aminokiseline uvjerava da se vežu jednostavnim uklanjanjem molekule vode. "To je tako loš način da se potakne reakcija", kaže Lehman. "Proteinski enzimi obično se oslanjaju na snažnije kemijske strategije."
Lehman primjećuje da je jednostavnost vjerojatno prethodila moći u najranijim fazama života. „Kad razmišljate o podrijetlu života, prvo morate razmišljati o jednostavnoj kemiji; kaže da bi svaki postupak najjednostavnije kemije bio drevan. "Mislim da je to uvjerljiviji argument od činjenice da ona pripada cijelom životu."
Unatoč snažnim dokazima, još uvijek je teško zamisliti kako bi ribosomsko jezgro moglo nastati kao rezultat kemijske evolucije. Enzim koji čini više od sebe - poput RNA replikatora u hipotezi o RNA svijetu - automatski stvara zatvorenu petlju, neprestano povećavajući vlastitu produktivnost. Suprotno tome, ribosomsko jezgro ne proizvodi više ribosomalnih jezgara. Stvara slučajne lance aminokiselina. Nejasno je kako bi ovaj proces trebao potaknuti proizvodnju više ribosoma.
Hud i njegovi kolege nagađaju kako su se RNA i proteini razvijali u tandemu, a tko god smislio kako raditi zajedno, preživio je. Ovoj ideji nedostaje jednostavnost svijeta RNA, koji postulira postojanje jedne molekule koja bi mogla istovremeno kodirati informacije i katalizirati kemijske reakcije. No Hud vjeruje drugačije: složenost dodaje eleganciju nastanku života.
"Mislim da je uvijek postojalo pretjerano naglašavanje jednostavnosti, da je jedan polimer bolji od dva", kaže on. "Može biti lakše dobiti specifične reakcije ako dva polimera rade zajedno. Možda bi bilo lakše da polimeri rade zajedno od početka."
Na temelju materijala iz časopisa Quanta