Hvordan lykkedes det livet at dele mange forskellige dele sammen? I det mindste havde de første livsformer på Jorden brug for en måde at gemme og gengive information på. Først da kan de lave kopier af sig selv og sprede sig rundt om i verden. Måske spillede kemi en meget vigtigere rolle i livets oprindelse end tidligere antaget.
En af de mest indflydelsesrige hypoteser er, at det hele startede med RNA, et molekyle, der samtidig kan registrere genetiske poster og udløse kemiske reaktioner. Hypotesen om "RNA-verdenen" manifesterer sig i mange former, men ifølge den mest traditionelle begyndte livet med dannelsen af et RNA-molekyle, der er i stand til at gengive sig selv. Hendes efterkommere udviklede evnen til at udføre mange opgaver, såsom fremstilling af nye forbindelser og opbevaring af energi. Over tid fulgte et vanskeligt liv.
Forskere har imidlertid fundet, at selvreplicerende RNA er overraskende vanskeligt at skabe i laboratoriet. Det er lykkedes dem, men de kandidatmolekyler, der er fremstillet til dato, kan kun gengive RNA med en bestemt sekvens eller længde. Derudover er disse RNA-molekyler i sig selv ganske komplicerede, hvilket rejser spørgsmål om, hvordan de kunne have været dannet af viljen til en kemisk ulykke.
Nick Hud, en kemiker ved Georgia Institute of Technology, og hans kolleger besluttede at gå ud over biologi og studere den mulige rolle, som kemi spiller i livets oprindelse. Måske før fremkomsten af biologi var der et indledende stadium i prototiden, hvor kun kemiske processer skabte en "buffet" af RNA og RNA-lignende molekyler.”Jeg tror, der var ganske mange trin, der førte til et selvreplicerende selvbærende system,” siger Hud.
I dette scenarie kunne forskellige RNA-lignende molekyler dannes spontant, hvilket hjælper den kemiske bouillon med at opfinde mange af de detaljer, der er nødvendige for livets udvikling. Proto-life-former eksperimenteres med primitiv molekylær teknik og adskiller det stykke for stykke. Hele systemet fungerede som en gigantisk knus. Det var først, når et sådant system blev etableret, at selvreplicerende RNA opstod.
I hjertet af Huds forslag er de kemiske midler til at skabe en så rig variation af prototy. Computersimuleringer viser, at visse kemiske tilstande kan producere en forskelligartet samling af RNA-lignende molekyler. Holdet tester i øjeblikket denne idé med ægte molekyler i laboratoriet og håber snart at kunne præsentere resultater.
Huds gruppe baner vejen for et antal forskere, der udfordrer den traditionelle hypotese om RNA-verdenen og dens afhængighed af biologisk, snarere end kemisk, evolution. I den traditionelle model blev der skabt ny molekylær teknik ved hjælp af biologiske katalysatorer - enzymer - som det er tilfældet med moderne celler. I Huds prototy-livsfase kunne myriader af RNA eller RNA-lignende molekyler dannes og ændres ved hjælp af rent kemiske midler. "Kemisk udvikling kunne have hjulpet at starte livet uden enzymer," siger Hud.
Salgsfremmende video:
Hud og hans kolleger besluttede at gå videre og antage, at ribosomet, den eneste del af biologisk teknik, der var til stede i alle levende ting i dag, helt kom ud af kemi alene. Dette er en usædvanlig måde at se på tingene på, da mange mener, at ribosomet blev født af biologi.
Hvis Huds team kan skabe former for proto-liv under forhold, der måtte have eksisteret på den tidlige jord, kan det antages, at kemisk udvikling kan have spillet en meget mere betydelig rolle i livets oprindelse, end forskerne forventede. "Darwinsk evolution kan have været gået forud for en enklere form for evolution," siger Niels Lehman, en biokemiker ved Portland University i Oregon.
Før-darwinsk verden
Når de fleste tænker på evolution, kommer darwiniansk evolution op i tankerne, hvor organismer konkurrerer med hinanden om begrænsede ressourcer og videregiver genetisk information til deres efterkommere. Hver generation gennemgår genetiske korrektioner, og de mest succesrige afkom overlever for at videregive deres gener. Denne udviklingsmåde er fremherskende i det moderne liv.
Karl Woese, den berømte biolog, der gav os det moderne livstræ, mente, at den darwinistiske æra blev indledt af et tidligt livsfase, styret af helt forskellige evolutionære kræfter. Woese troede, at det ville være næsten umuligt for en enkelt celle at få alt, hvad den har brug for at leve. Derfor forestillede han sig et rigt udvalg af molekyler involveret i den kommunale eksistens. I stedet for at konkurrere med hinanden, delte primitive celler molekylære innovationer. Denne præ-darwinistiske bouillon skabte de ingredienser, der er nødvendige for komplekst liv, banede vejen for det storslåede menageri, vi ser på Jorden i dag.
Huds model tager Woese's før-darwinistiske tidsvision endnu længere tilbage i tiden og giver primitive celler de kemiske midler til at skabe molekylær mangfoldighed. En form for proto-liv kunne udtænke en måde at skabe de blokke, den havde brug for for at skabe sig selv, en anden kunne finde en måde at få energi på. Denne model adskiller sig fra den traditionelle hypotese om RNA-verdenen i dens afhængighed af kemisk snarere end biologisk evolution.
I RNA's verden reproducerede de første RNA-molekyler sig ved hjælp af det indbyggede enzym ribozym, der er sammensat af RNA. I Huds 'prototype-verden blev denne opgave udelukkende udført ved kemiske metoder. Historien begynder med en kemisk suppe af RNA-lignende molekyler. De fleste var korte, da korte kæder sandsynligvis ville dannes spontant, men der kunne også være længere, komplekse molekyler. Huds model beskriver, hvordan længere molekyler kunne reproduceres uden hjælp af et enzym.
Hud mener, at den primære RNA-bouillon i den prebiotiske verden gennemgik regelmæssige opvarmnings- og afkølingscyklusser og blev tyk og tyktflydende. Varmen adskiller de bundne RNA-par, og den viskose opløsning holdt molekylerne fra hinanden i et stykke tid. I mellemtiden er små segmenter af RNA, kun et par tegn i længden, knyttet til hver lang streng. Disse små segmenter blev gradvist syet sammen og dannet en ny RNA-streng svarende til den originale lange streng. Så startede cyklussen igen.
RNA-replikation kemiske veje
Efterhånden som buljongen af en række RNA-lignende molekyler ekspanderede og voksede, fik nogle af dem enkle funktioner som metabolisme. Ligeledes kunne rene kemiske reaktioner producere molekylær mangfoldighed for at skabe en præ-darwinisk hornhinden af Woese-prototy.
Huds gruppe har formået at afslutte de tidlige stadier af reproduktionsprocessen i laboratoriet, skønt de endnu ikke har lært, hvordan man limer korte segmenter uden at ty til biologiske værktøjer. Hvis de kan overvinde denne hindring, vil de skabe en universel måde at gengive RNA på.
Nogle forskere tvivler imidlertid på, at kemisk medieret reproduktion vil være god nok til at gengive den før-darwiniske verden, som Hud beskriver.”Jeg ved ikke, om jeg tror på det,” siger Paul Higgs, en biofysiker ved McMaster University i Hamilton, Ontario, der studerer livets oprindelse. "Alt skal ske hurtigt og præcist nok til at skabe konsistens." Det vil sige, denne proces skal producere nye RNA'er hurtigere, end de ødelægges, og nøjagtigt nok til at skabe omtrentlige kopier af skabelonmolekyler.
Kemiske ændringer alene er ikke nok til at skabe liv. Bouillon af proto-liv havde stadig brug for en slags selektion, der ville sikre, at gavnlige molekyler ville trives og formere sig. I deres model antyder Hadas gruppe, at de enkleste proto-enzymer kunne have fremkommet og spredt sig, hvilket begyndte at gavne deres skabere og samfundet som helhed. For eksempel gavne et RNA-molekyle, der producerede flere byggesten, sig selv og dets naboer ved at give dem yderligere råvarer til reproduktion. Computersimuleringer udført af Huds gruppe viste, at denne type molekyl godt kunne slå rod. Den, der beriger buljongen, er meget nyttig.
Ribosomale rødder
Et muligt glimt af den før-darwiniske verden kan ses i ribosomet, et gammelt stykke af det molekylære maskineri, der ligger til grund for vores genetiske kode. Det er et enzym, der oversætter RNA, der koder for genetisk information, til proteiner, der udfører mange kemiske reaktioner i vores celler.
Ribosomkernen er sammensat af RNA. Dette gør ribosomet unikt - langt de fleste enzymer i vores celler består af proteiner. Både ribosomale kerner og den genetiske kode er fælles for alle levende ting, hvilket indikerer deres eksistens helt i begyndelsen af livets udvikling, muligvis allerede inden den darwinistiske tærskel blev krydset.
Hud og hans kollega Lauren Williams, også fra Georgia Tech, peger på ribosomet som støtte deres teori om den kemisk definerede verden. I et papir, der blev offentliggjort sidste år, fremsatte de en kontroversiel erklæring: ribosomens kerne blev skabt gennem kemisk udvikling. Og de antydede også, at det optrådte allerede før udseendet af det første selvreplicerende RNA-molekyle. De ribosomale kerner kan have været et vellykket eksperiment inden for kemisk udvikling, siger de. Og efter at det slog rod i den præ-darwiniske bouillon, krydsede den den darwinistiske tærskel og blev en vigtig del af alt liv.
Deres argument bygger på den relative enkelhed af ribosomal kernen, formelt kendt som peptidyltransferase center (PTC). PTC's opgave er at sammensætte aminosyrer, byggestenene til proteiner. I modsætning til traditionelle enzymer, der fremskynder kemiske reaktioner ved hjælp af "kloge kemiske tricks", fungerer det som et tørremiddel. Han overtaler to aminosyrer til binding ved blot at fjerne vandmolekylet.”Det er en så dårlig måde at skubbe til en reaktion på,” siger Lehman. "Proteinenzymer er normalt afhængige af mere kraftfulde kemiske strategier."
Lehman bemærker, at enkelhed sandsynligvis gik forud for magten i de tidligste stadier af livet.”Når du tænker på livets oprindelse, skal du først tænke på enkel kemi; enhver proces med den enkleste kemi er sandsynligvis gammel, siger han. "Jeg synes, dette er et mere overbevisende argument end det faktum, at hun hører til hele livet."
På trods af stærke beviser er det stadig vanskeligt at forestille sig, hvordan ribosomale kerner kunne have været skabt som et resultat af kemisk udvikling. Et enzym, der gør mere af sig selv - som en RNA-replikator i RNA-verdenshypotesen - skaber automatisk en lukket sløjfe, hvilket konstant øger sin egen produktivitet. I modsætning hertil producerer ribosomale kerner ikke flere ribosomale kerner. Det producerer tilfældige kæder af aminosyrer. Det er uklart, hvordan denne proces skal stimulere produktionen af flere ribosomer.
Hud og hans kolleger spekulerer i, at RNA og proteiner udviklede sig i tandem, og hvem der regnede med, hvordan man samarbejder, overlevede. Denne idé mangler enkelheden i RNA-verdenen, som postulerer eksistensen af et enkelt molekyle, der er i stand til samtidig at kode information og katalysere kemiske reaktioner. Men Hud mener ellers: det er kompleksitet, der tilføjer elegance til livets opkomst.
”Jeg tror, der altid har været en overvægt på enkelhed, at en polymer er bedre end to,” siger han.”Det kan være lettere at få specifikke reaktioner, hvis de to polymerer arbejder sammen. Det kan have været lettere for polymererne at arbejde sammen fra starten.”
Baseret på materiale fra Quanta Magazine
