Evolusjonshistorien har gjentatte ganger vært vitne til den evige debatten som kom først - egget eller kyllingen - men et av de mest interessante mysteriene er som følger: eksisterte livet før utseendet til nukleinsyrer? Og i en ny studie har forskere gitt bevis for at primitiv biokjemi var i stand til å dukke opp og utvikle seg uten fosfater - en av de viktigste og viktigste strukturelle komponentene i nukleinsyrer som utgjør vår genetiske kjemi - som tillegger vekt på forutsetningene som allerede før livets oppkomst metabolisme kunne allerede eksistere.
Forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Boston University har identifisert en rekke alternative metabolske veier som ikke ville kreve deltakelse av fosfater. Oppdagelsen har potensial til å fylle ut hullene i vår forståelse av hvor kompleks organisk kjemi fødte liv på planeten vår.
Det vi pleide å kalle livet i dag, er i stor grad basert på ikke-så perfekt replikerende kjemi, som krever en slags mal som kan kopieres, samt en viss mengde energi som er nok til å fysisk omdanne enkle karbonbaserte kjemikalier til mer komplekse former. … Og spørsmålet her er hvilken som kom først: en kjemisk kode som kan utvikle seg til en mer kompleks form, eller mer komplekse stier som kan bruke energi på å konvertere enkle kjemikalier til mer komplekse organiske forbindelser.
I følge den såkalte hypotesen om RNA-verdenen, bidro fritt flytende ensembler av ribonukleinsyre (RNA) molekyler, som fungerte som lagring av genetisk informasjon og var en slags maler, til akselerasjonen av prosessene med kjemiske reaksjoner som nå kan karakteriseres som prosessen med livets oppkomst. Spørsmålet i dette konseptet er at RNA-molekyler ikke ville være i stand til å gjøre dette uten den energikilden som er nødvendig for sekvensen av kjemiske reaksjoner, som igjen kan betraktes som en tidlig form for metabolisme (metabolisme). I tillegg inneholder RNA-molekyler fosfater - stoffer som er tett vevd inn i miljøet og derfor vanskelige å integreres i organiske forbindelser.
Ifølge en annen hypotese, var de tidligste formene for metabolsk kjemi, ikke bundet av cellemembraner, i utgangspunktet i stand til å absorbere energi fra omgivelsene - i form av varme eller lys - og overføre den fra en kjemisk reaksjon til en annen inne i en organisk suppe (en slags primær buljong der et liv). Til syvende og sist forble denne primitive metabolismen (metabolisme) kombinert med RNA-molekyler og forble i denne tilstanden til den fant tilflukt i individuelle fettblærer - molekyler som nå kan betraktes som de første cellene.
Og likevel er energimetabolismen i moderne organismer basert på forbindelser som adenosin-trifosfat (ATP) og nikotinamid-adenindinukleotidfosfat (NADP), det vil si igjen assosiert med fosfater.
De alternative metabolske traséene, som forskere har identifisert i den nye studien, er basert på molekyler basert på svovel, et stoff som var til stede i overflod i jordens hav for flere milliarder år siden.
Viktigheten av denne studien ligger i det faktum at det nå, som en del av nye forsøk på å finne ut kilden til livets opprinnelse, vil være nødvendig å ta hensyn til sannsynligheten for at den ser ut uten fosfater, som nå regnes som en av dens viktigste komponenter, men som kanskje ikke hadde vært når det første kjemikaliet reaksjonene som førte til utseendet, sier forsker Daniel Serger ved Boston University.
Salgsfremmende video:
Tanken på at svovel en gang kan ha spilt en sentral rolle i den metabolske prosessen er langt fra ny. Tilbake på begynnelsen av det 20. århundre foreslo den tyske kjemikeren Wachtershauser at forbindelser av jernsulfid og nikkelsulfid kunne fungere som en katalysator for karbonfiksering rundt dype oseaniske vulkanstrømmer og fungere som en mekanisme for energiutveksling mellom det han kalte “primordial organisms”. Mangelen på overbevisende bevis som forener de forskjellige kjemiske reaksjonene som er involvert i denne "sulfid-jernhypotesen", tillot imidlertid ikke å bekrefte denne antagelsen.
"Det som alltid ble oversett var mangelen på overbevisende bevis basert på beviset for at disse tidlige kjemiske prosessene kunne representere et tilkoblet og relativt komplekst primitivt metabolsk nettverk, og ikke bare spredte reaksjoner," kommenterer Serje.
Serghe og teamet hans benyttet beregningssystembiologi - en teoretisk tilnærming som bruker matematiske modeller for å studere en rekke biokjemiske veier - og identifiserte et sett med åtte fosfatfrie forbindelser som kan ha vært rikelig i planetenes gamle hav. Deretter brukte de en algoritme for å simulere en primitiv energiutveksling, som involverte jernsulfider så vel som sulfidholdige forbindelser - tioetere - og begynte å overvåke hvilke forskjellige kjemiske reaksjoner som kan oppstå med dem.
Som et resultat ble det funnet at resultatet av et hovednettverk med 315 reaksjoner som involverte 260 metabolitter, kunne være produksjon av en rekke komplekse organiske forbindelser som er nødvendige for livets oppkomst. Listen over disse forbindelsene inkluderer også aminosyrer og karboksylsyrer.
Siden tidlig bioorganisk kjemi ikke kunne etterlate nok bevis på at det eksisterte i form av gamle sedimenter, er det nødvendig å bruke lignende matematiske modeller som kan forutsi hva som kunne ha skjedd for mange milliarder år siden. Og selv om slike data knapt kan brukes som bevis på fosfatfri utvikling av livet, kan de bli et av bevisene for muligheten for at liv kom fra kjemiske forbindelser som de fleste moderne organismer ikke er avhengige av i det hele tatt. I tillegg kan bruken av slike data gå langt utover den vanlige diskusjonen om hvordan livet på planeten vår kunne ha dannet seg.
"Analyse av metabolisme med tanke på økosystemnivå, eller til og med som et planetarisk fenomen, og ikke som et individuelt trekk ved spesifikke organismer, kan være av praktisk betydning for vår forståelse av det mikrobielle samfunnet," sier Serje.
Resultatene fra en gruppe forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Boston University ble publisert i en av de siste utgavene av det vitenskapelige tidsskriftet Cell.
NIKOLAY KHIZHNYAK
