Evolutionshistorien har gentagne gange været vidne til den evige debat, som kom først - ægget eller kyllingen - men et af de mest interessante mysterier er som følger: eksisterede der liv, før nukleinsyrer dukkede op? Og i en ny undersøgelse har forskere leveret bevis for, at primitiv biokemi var i stand til at dukke op og udvikle sig uden fosfater - en af de vigtigste og vigtigste strukturelle komponenter i nukleinsyrer, der udgør vores genetiske kemi - hvilket tilføjer vægt til antagelserne om, at det allerede før livet stofskifte kunne allerede eksistere.
Forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Boston University har identificeret en række alternative metabolske veje, der ikke kræver deltagelse af fosfater. Opdagelsen har potentialet til at udfylde hullerne i vores forståelse af, hvordan kompleks organisk kemi fødte liv på vores planet.
Det, vi er vant til at kalde livet i dag, er stort set baseret på mindre end perfekt replikerende kemi, som kræver en skabelon, der kan kopieres, samt en vis mængde energi, som er nok til fysisk at omdanne enkle kulstofbaserede kemikalier til mere komplekse former … Og spørgsmålet her er, hvad der kom først: en kemisk kode, der kunne udvikle sig til en mere kompleks form, eller mere komplekse veje, der kunne bruge energi til at omdanne enkle kemikalier til mere komplekse organiske forbindelser.
I henhold til den såkaldte hypotese om RNA-verdenen, bidrog frie, flydende ensembler af ribonukleinsyre (RNA) molekyler, der udførte funktionerne til opbevaring af genetisk information og var en slags meget skabeloner, til accelerationen af processerne med kemiske reaktioner, der nu kan karakteriseres som processen med opståen af liv. Spørgsmålet i dette koncept er, at RNA-molekyler ikke ville være i stand til dette uden den nødvendige energikilde til sekvensen af kemiske reaktioner, som igen kunne betragtes som en tidlig form for stofskifte (stofskifte). Derudover indeholder RNA-molekyler phosphater - stoffer, der er tæt vævet ind i miljøet og derfor vanskelige at integreres i organiske forbindelser.
Ifølge en anden hypotese var de tidligste former for metabolisk kemi, ikke bundet af cellemembraner, oprindeligt i stand til at absorbere energi fra miljøet - i form af varme eller lys - og overføre den fra en kemisk reaktion til en anden inde i en organisk suppe (en slags primær bouillon, hvori et liv). I sidste ende var denne primitive metabolisme (stofskifte) kombineret med RNA-molekyler og forblev i denne tilstand, indtil den fandt tilflugt i individuelle fedtblærer - molekyler, der nu kunne betragtes som de første celler.
Og alligevel er energimetabolismen i moderne organismer baseret på forbindelser som adenosin-triphosphat (ATP) og nicotinamid-adenindinucleotidphosphat (NADP), det vil sige igen forbundet med fosfater.
De alternative metabolske veje, som forskere har identificeret i den nye undersøgelse, er baseret på molekyler baseret på svovl, et stof, der var rigeligt i Jordens hav for flere milliarder år siden.
”Vigtigheden af denne undersøgelse ligger i det faktum, at det nu som led i nye forsøg på at finde ud af kilden til livets oprindelse, vil være nødvendigt at tage højde for sandsynligheden for, at det ser ud uden deltagelse af fosfater, som nu betragtes som en af dets vigtigste komponenter, men som måske ikke var, da det første kemiske stof reaktionerne, der førte til dens udseende,”siger forsker Daniel Serger fra Boston University.
Salgsfremmende video:
Ideen om, at svovl en gang kan have spillet en central rolle i den metaboliske proces, er langt fra ny. Tilbage i begyndelsen af det 20. århundrede foreslog den tyske kemiker Wachtershauser, at forbindelser af jernsulfid og nikkelsulfid kunne fungere som en katalysator til kulstoffiksering omkring dybe oceaniske vulkanstrømme og fungere som en mekanisme til energiudveksling mellem det, han kaldte”urhudorganismer”. Manglen på overbevisende beviser, der forener de forskellige kemiske reaktioner, der er involveret i denne "sulfid-jernhypotese", tillader dog ikke bekræftelse af denne antagelse.
”Det, der altid blev overset, var manglen på overbevisende beviser baseret på beviset for, at disse tidlige kemiske processer kunne repræsentere et forbundet og relativt komplekst primitivt metabolisk netværk, og ikke kun spredte reaktioner,” kommenterer Serje.
Serghe og hans team anvendte beregningssystembiologi - en teoretisk tilgang, der bruger matematiske modeller til at studere en række biokemiske veje - og identificerede et sæt af otte fosfatfrie forbindelser, der måske har været rigelige i vores planetens gamle oceaner. Derefter anvendte de en algoritme for at simulere en primitiv energiudveksling, der involverede jernsulfider såvel som sulfidholdige forbindelser - thioethere - og begyndte at overvåge, hvilke forskellige kemiske reaktioner der måtte opstå med dem.
Som et resultat blev det fundet, at resultatet af et hovednetværk af 315 reaktioner, der involverede 260 metabolitter, kunne være produktionen af en række komplekse organiske forbindelser, der er nødvendige for livets opståen. Listen over disse forbindelser inkluderer også aminosyrer og carboxylsyrer.
Da den tidlige bioorganiske kemi ikke kunne efterlade tilstrækkelig bevis for dens eksistens i form af gamle sedimenter, er det nødvendigt at bruge lignende matematiske modeller, der kan forudsige, hvad der kunne være sket for mange milliarder af år siden. Og selvom sådanne data næppe kan bruges som bevis på den fosfatfri udvikling af livet, kan de blive et af bevisene for muligheden for, at liv opstod fra kemiske forbindelser, som de fleste moderne organismer slet ikke stoler på. Derudover kunne brugen af sådanne data gå langt ud over den sædvanlige diskussion om, hvordan livet på vores planet kunne have dannet sig.
"Analyse af stofskifte med hensyn til økosystemniveau eller endda som et planetarisk fænomen og ikke som et individuelt træk ved specifikke organismer, kan være af praktisk betydning for vores forståelse af det mikrobielle samfund," siger Serje.
Resultaterne af forskning fra en gruppe forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Boston University blev offentliggjort i en af de seneste udgaver af det videnskabelige tidsskrift Cell.
NIKOLAY KHIZHNYAK