Hvordan klarte livet å brette sammen utallige deler? I det minste trengte de første livsformene på jorden en måte å lagre og reprodusere informasjon på. Først da kan de lage kopier av seg selv og spre seg rundt i verden. Kanskje spilte kjemi en mye viktigere rolle i livets opprinnelse enn tidligere antatt.
En av de mest innflytelsesrike hypotesene er at det hele startet med RNA, et molekyl som samtidig kan registrere genetiske poster og utløse kjemiske reaksjoner. Hypotesen om "RNA-verdenen" manifesterer seg i mange former, men i følge det mest tradisjonelle begynte livet med dannelsen av et RNA-molekyl som er i stand til å reprodusere seg. Etterkommerne hennes utviklet evnen til å utføre mange oppgaver som å lage nye forbindelser og lagre energi. Over tid fulgte et vanskelig liv.
Imidlertid har forskere funnet ut at selvreplikerende RNA er overraskende vanskelig å lage i laboratoriet. De har lyktes, men kandidatmolekylene laget til dags dato kan bare reprodusere RNA av en viss sekvens eller lengde. I tillegg er disse RNA-molekylene i seg selv ganske kompliserte, noe som reiser spørsmål om hvordan de kunne ha blitt dannet av viljen til en kjemisk ulykke.
Nick Hud, en kjemiker ved Georgia Institute of Technology, og kollegene bestemte seg for å gå utover biologien og studere den mulige rollen til kjemi i livets opprinnelse. Kanskje, før fremveksten av biologi, var det et innledende stadium av proto-livet, der bare kjemiske prosesser skapte en "buffé" av RNA og RNA-lignende molekyler. "Jeg tror det var ganske mange trinn som førte til et selvrepliserende, selvopprettholdende system," sier Hud.
I dette scenariet kan forskjellige RNA-lignende molekyler dannes spontant, noe som hjelper den kjemiske buljongen til samtidig å finne opp mange av detaljene som er nødvendige for livets utvikling. Proto-livsformer eksperimenterte med primitiv molekylteknikk og tok det fra hverandre stykke for stykke. Hele systemet fungerte som en gigantisk knusing. Det var først da et slikt system ble opprettet at selvreplikerende RNA dukket opp.
I kjernen av Huds forslag er de kjemiske virkemidlene for å skape et så rikt utvalg av protoliv. Datasimuleringer viser at visse kjemiske forhold kan produsere en variert samling av RNA-lignende molekyler. Teamet tester for tiden denne ideen med ekte molekyler i laboratoriet og håper å presentere resultater snart.
Huds gruppe baner vei for en rekke forskere som utfordrer den tradisjonelle hypotesen om RNA-verdenen og dens avhengighet av biologisk, snarere enn kjemisk, evolusjon. I den tradisjonelle modellen ble ny molekylær konstruksjon laget ved hjelp av biologiske katalysatorer - enzymer - som tilfellet er med moderne celler. I løpet av Huds proto-livsfase kunne myriader av RNA eller RNA-lignende molekyler dannes og endres ved hjelp av rent kjemiske midler. "Kjemisk evolusjon kunne ha bidratt til å starte livet uten enzymer," sier Hud.
Salgsfremmende video:
Hud og kollegene bestemte seg for å gå videre og anta at ribosomet, den eneste delen av biologisk prosjektering som er til stede i alle levende ting i dag, helt kom ut av kjemi alene. Dette er en uvanlig måte å se på ting på, siden mange tror at ribosomet ble født av biologi.
Hvis Huds team kan skape former for proto-liv under forhold som kan ha eksistert på tidlig jord, kan det antas at kjemisk evolusjon kan ha spilt en mye mer viktig rolle i livets opprinnelse enn forskerne forventet. "Darwinsk evolusjon kan ha blitt gitt en enklere form for evolusjon," sier Niels Lehman, en biokjemiker ved Portland University i Oregon.
Før-darwinsk verden
Når de fleste tenker evolusjonen, kommer darwiniansk evolusjon inn i tankene, der organismer konkurrerer med hverandre om begrensede ressurser og gir genetisk informasjon videre til sine etterkommere. Hver generasjon gjennomgår genetiske korreksjoner, og de mest vellykkede avkomene overlever for å formidle genene sine. Denne evolusjonsmåten råder i det moderne liv.
Karl Woese, den anerkjente biologen som ga oss det moderne livets tre, mente at den darwiniske epoken ble forutlagt av et tidlig livsfase, styrt av helt andre evolusjonsstyrker. Woese mente at det ville være nesten umulig for en enkelt celle å få alt den trenger for å leve. Derfor så han for seg et rikt utvalg av molekyler som var involvert i felles eksistens. I stedet for å konkurrere med hverandre, delte primitive celler molekylære innovasjoner. Denne pre-darwinistiske buljongen skapte ingrediensene som trengs for et komplekst liv, og banet vei for det fantastiske menageriet vi ser på jorden i dag.
Huds modell tar Woeses før-darwiniske tidsvisjon enda lenger tilbake i tid, og gir primitive celler de kjemiske midlene for å skape molekylært mangfold. Én form for proto-liv kan tenke ut en måte å lage de blokker den trengte for å skape seg selv, en annen kunne finne en måte å få energi på. Denne modellen skiller seg fra den tradisjonelle hypotesen om RNA-verdenen i sin avhengighet av kjemisk snarere enn biologisk evolusjon.
I RNAs verden reproduserte de første RNA-molekylene seg ved å bruke det innebygde enzymet ribozym, som er sammensatt av RNA. I verden av Huds prototyiv ble denne oppgaven utelukkende utført med kjemiske metoder. Historien begynner med en kjemisk suppe av RNA-lignende molekyler. De fleste var korte, da korte kjeder sannsynligvis ville dannet seg spontant, men det kunne være lengre, komplekse molekyler også. Huds modell beskriver hvordan lengre molekyler kan reproduseres uten hjelp av et enzym.
Hud mener at i den prebiotiske verdenen gikk den primære RNA-buljongen gjennom vanlige oppvarmings- og kjølesykluser og ble tykk og tyktflytende. Varmen skilte de bundne RNA-parene, og den viskøse løsningen holdt molekylene fra hverandre en stund. I mellomtiden er små segmenter av RNA, bare noen få tegn i lengden, festet til hver lange streng. Disse små segmentene ble gradvis sydd sammen, og dannet en ny RNA-streng tilsvarende den opprinnelige lange streng. Så startet syklusen igjen.
RNA-replikasjon kjemiske veier
Etter hvert som buljongen til en rekke RNA-lignende molekyler ekspanderte og vokste, fikk noen av dem enkle funksjoner som metabolisme. På samme måte kan rene kjemiske reaksjoner produsere molekylært mangfold for å skape en pre-darwinisk overflødighetshorn av Woese prototy.
Huds gruppe har klart å fullføre de tidlige stadiene av reproduksjonsprosessen i laboratoriet, selv om de ennå ikke har lært hvordan de skal lime korte segmenter uten å ty til biologiske verktøy. Hvis de kan overvinne denne hindringen, vil de skape en universell måte å reprodusere RNA på.
Noen forskere tviler imidlertid på at kjemisk mediert reproduksjon vil være god nok til å reprodusere den før-darwiniske verdenen som Hud beskriver. "Jeg vet ikke om jeg tror det," sier Paul Higgs, en biofysiker ved McMaster University i Hamilton, Ontario som studerer livets opprinnelse. "Alt må skje raskt og nøyaktig nok til å skape konsistens." Det vil si at denne prosessen må produsere nye RNA raskere enn de blir ødelagt, og nøyaktig nok til å lage omtrentlige kopier av malmolekyler.
Kjemiske endringer alene er ikke nok til å få liv. Buljongen av proto-life trengte fortsatt en slags seleksjon som ville sikre at gunstige molekyler ville trives og formere seg. I modellen deres antyder Hadas gruppe at de enkleste proto-enzymer kunne ha vokst fram og spredt seg, noe som begynte å komme deres skaper og samfunn for øvrig til gode. For eksempel gav et RNA-molekyl som produserte flere byggesteiner seg og sine naboer fordel av å gi dem ytterligere råvarer for reproduksjon. Datasimuleringer utført av Huds gruppe viste at denne typen molekyler godt kunne slå rot. Den som beriker buljongen er veldig nyttig.
Ribosomale røtter
Et mulig glimt av den før-darwiniske verdenen kan sees i ribosomet, et gammelt stykke av det molekylære maskineriet som ligger til grunn for vår genetiske kode. Det er et enzym som oversetter RNA, som koder for genetisk informasjon, til proteiner som utfører mange kjemiske reaksjoner i cellene våre.
Ribosomkjernen er sammensatt av RNA. Dette gjør ribosomet unikt - de aller fleste enzymer i cellene våre består av proteiner. Både ribosomale kjerner og den genetiske koden er felles for alle levende ting, noe som indikerer deres eksistens helt i begynnelsen av livets utvikling, muligens allerede før den darwinistiske terskelen ble krysset.
Hud og kollegaen Lauren Williams, også fra Georgia Tech, peker på ribosomet som støtte for deres teori om den kjemisk definerte verden. I et papir som ble publisert i fjor, kom de med en kontroversiell uttalelse: ribosomens kjerne ble opprettet gjennom kjemisk evolusjon. Og de antydet også at det dukket opp allerede før utseendet til det første selvreplikerende RNA-molekylet. De ribosomale kjernen kan ha vært et vellykket eksperiment i kjemisk evolusjon, sier de. Og etter at det slo rot i den pre-darwiniske buljongen, krysset den den darwinistiske terskelen og ble en viktig del av alt liv.
Deres argumentasjon er avhengig av den relative enkelheten til ribosomalkjernen, formelt kjent som peptidyltransferasesenteret (PTC). Jobben til PTC er å sette sammen aminosyrer, byggesteinene til proteiner. I motsetning til tradisjonelle enzymer, som fremskynder kjemiske reaksjoner med "smarte kjemiske triks", fungerer det som et tørkemiddel. Han overtaler to aminosyrer til binding ved ganske enkelt å fjerne vannmolekylet. "Det er en så dårlig måte å skyve en reaksjon på," sier Lehman. "Proteinenzymer er vanligvis avhengige av kraftigere kjemiske strategier."
Lehman bemerker at enkelhet sannsynligvis gikk foran makten i de tidligste stadiene av livet. “Når du tenker på livets opprinnelse, må du først tenke på enkel kjemi; enhver prosess med den enkleste kjemien vil sannsynligvis være eldgammel, sier han. "Jeg tror dette er et mer overbevisende argument enn det faktum at hun hører til hele livet."
Til tross for sterke bevis, er det fremdeles vanskelig å forestille seg hvordan ribosomkjerne kunne ha blitt til som et resultat av kjemisk utvikling. Et enzym som gjør mer av seg selv - som en RNA-replikator i RNA-verdenshypotesen - skaper automatisk en lukket loop, og øker stadig sin egen produktivitet. I kontrast produserer ikke ribosomale kjerner flere ribosomale kjerner. Det produserer tilfeldige aminosyrekjeder. Det er uklart hvordan denne prosessen skal stimulere produksjonen av flere ribosomer.
Hud og kollegene spekulerer i at RNA og proteiner utviklet seg i tandem, og hvem som fant ut hvordan de skulle jobbe sammen, overlevde. Denne ideen mangler enkelheten i RNA-verdenen, som postulerer eksistensen av et enkelt molekyl som er i stand til samtidig å kode informasjon og katalysere kjemiske reaksjoner. Men Hud mener ellers: det er kompleksitet som tilfører eleganse til livets oppkomst.
"Jeg tror det alltid har vært overvekt av enkelhet, at en polymer er bedre enn to," sier han.”Det kan være lettere å få spesifikke reaksjoner hvis de to polymerene jobber sammen. Det kan ha vært lettere for polymerene å jobbe sammen helt fra starten.”
Basert på materiale fra Quanta Magazine
