Paprastesnė gyvenimo kilmė


: „Tam tikru momentu atsitiktinai buvo sukurta ypač didelė molekulė. Tai vadiname replikatoriumi . Gali būti, kad ji nėra didžiausia ar sudėtingiausia molekulė, tačiau ji turėjo ypatingą savybę, kad galėtų kurti pačias kopijas. " Kai Dawkins parašė šiuos žodžius prieš 30 metų, DNR buvo labiausiai tikėtinas kandidatas į šį vaidmenį. Kaip matysime, dabar buvo p

: „Tam tikru momentu atsitiktinai buvo sukurta ypač didelė molekulė. Tai vadiname replikatoriumi . Gali būti, kad ji nėra didžiausia ar sudėtingiausia molekulė, tačiau ji turėjo ypatingą savybę, kad galėtų kurti pačias kopijas. " Kai Dawkins parašė šiuos žodžius prieš 30 metų, DNR buvo labiausiai tikėtinas kandidatas į šį vaidmenį. Kaip matysime, dabar buvo pasiūlyta keletas kitų replikatorių.

Kai RNR rėmė pasaulį

Deja, greitai atsiradusios komplikacijos. DNR replikacija negali vykti be daugelio baltymų pagalbos - didelių molekulių šeimos narių, kurie chemiškai labai skiriasi nuo DNR. Baltymai, kaip ir DNR, yra sukonstruoti susiejant subvienetus, aminorūgštis šiuo atveju, kartu suformuojant ilgą grandinę. Ląstelės naudoja dvidešimt šių statybinių blokų jų pagamintuose baltymuose, suteikdamos įvairius produktus, galinčius atlikti daug įvairių užduočių - baltymai yra gyvo ląstelės meistrai. Jų garsiausias poklasis, fermentai, veikia kaip ekspeditoriai, pagreitina cheminius procesus, kurie priešingu atveju vyktų per lėtai, kad būtų naudingi gyvenimui.

Pirmiau minėta sąskaita primena senąjį mįslę: kas atėjo pirmiausia, vištienos ar kiaušinio? DNR turi baltymų statybos receptą. Tačiau ši informacija negali būti gaunama ar kopijuojama be baltymų pagalbos. Kokia didelė molekulė pasirodė pirmą kartą, kai buvo pradėtas gyvenimas - baltymai (vištienos) arba DNR (kiaušinis)?

Galimas sprendimas pasirodė, kai dėmesys buvo perkeltas į naują čempioną - RNR. Ši universalus molekulių klasė, kaip ir DNR, yra surinkta iš nukleotidų blokų, bet mūsų ląstelėse atlieka daug vaidmenų. Kai kurie RNR keltų duomenys iš DNR į struktūras (kurios pačios iš esmės yra pastatytos iš kitų RNR rūšių), kurios konstruoja baltymus. Vykdydamas įvairias savo pareigas, RNR gali užimti dvigubą spiralę, panašią į DNR, arba sulenktą vieną kryptį, panašią į baltymą. 2006 m. Buvo apdovanoti Nobelio prizai tiek chemijoje, tiek medicinoje už atradimus, susijusius su RNR vaidmeniu redaguojant ir cenzūruojant DNR instrukcijas. Warren E. Leary „ New York Times “ galėjo rašyti, kad RNR „greitai iškyla iš geriau žinomo pusbrolio DNR šešėlių“.

Daugeliui mokslininkų, gyvenusių gyvybės srityje, tie šešėliai prieš du dešimtmečius pakilo, aptikus ribozimų, fermentinių medžiagų, pagamintų iš RNR. Dabar atrodė, kad paprastas vištienos ir kiaušinio mįslės sprendimas pasirodė esąs: gyvenimas prasidėjo nuo pirmojo RNR molekulės išvaizdos. 1986 m. Germinalo straipsnyje Nobelio premijos laureatas Walter Gilbert iš Harvardo universiteto žurnale „ Gamta “ rašė: „Galima apsvarstyti RNR pasaulį, turintį tik RNR molekules, kurios padeda katalizuoti jų sintezę. molekulės, atliekančios katalizinį aktyvumą, reikalingą surinkti save iš nukleotidų sriubos. " Šioje vizijoje pirmoji savaime replikuojanti RNR, atsiradusi iš negyvų medžiagų, atliko funkcijas, kurias dabar atliko RNR, DNR ir baltymai.

Atrodė, kad keletas papildomų užuominų patvirtino mintį, kad RNR atsirado prieš baltymus ir DNR gyvybės evoliucijoje. Daug mažų molekulių, vadinamų kofaktoriais, atlieka būtiną vaidmenį fermentų katalizuojamose reakcijose. Šie kofaktoriai dažnai turi prijungtą RNR nukleotidą be akivaizdžios funkcijos. Šios struktūros buvo laikomos „molekulinėmis fosilijomis“, relikvijos nusileido nuo to laiko, kai RNR, be DNR ar baltymų, valdė biocheminį pasaulį. Be to, chemikai sugebėjo sintezuoti naujus ribozimus, kurie rodo įvairius fermentų tipo veiksmus. Daugelis mokslininkų rado idėją, kad organizmas, kuris rėmėsi ribozimais, o ne baltymų fermentais, labai patrauklus.

Hipotezė, kad gyvenimas prasidėjo su RNR, buvo pateiktas kaip tikėtina realybė, o ne spekuliacija žurnaluose, vadovėliuose ir žiniasklaidoje. Tačiau mano paminėti patarimai palaiko tik silpnesnę išvadą, kad RNR prieš DNR ir baltymus; jie nesuteikia jokios informacijos apie gyvenimo kilmę, kuri gali būti susijusi su etapais prieš RNR pasaulį, kuriame kitos gyvosios būtybės valdė aukščiausią. Tą patį ir, nepaisant sunkumų, kuriuos aptarsiu kitame skyriuje, galbūt du trečdalius mokslininkų, skelbiančių gyvenimo lauką (vertinant pagal 2006 m. Žurnale „ Origins of Life and Evolution“ paskelbtus dokumentus) biosferos ) vis dar palaiko mintį, kad gyvenimas prasidėjo spontaniškai suformavus RNR arba susijusią savęs kopijavimo molekulę. Klaidingai, mokslininkai vartoja terminą „RNA World“, nurodydami tiek tvirtus, tiek silpnus teiginius apie RNR vaidmenį prieš DNR ir baltymus. Čia aš naudosiu terminą „pirmiausia“, kad tvirtai tvirtintumėte, jog RNR dalyvavo gyvenimo pradžioje.

Sriubos virdulys yra tuščias

Patrauklios „RNA World“ savybės paskatino Geraldą Joycą iš „Scripps“ tyrimų instituto ir „Salk“ instituto „Leslie Orgel“ vaizduoti ją kaip „molekulinio biologo svajonę“ tame numeryje. Jie taip pat vartojo terminą „prebiotikas chemikas košmaras“, kad apibūdintų kitą paveikslo dalį: Kaip atsirado pirmoji savarankiškai replikuojanti RNR? Milžiniškos kliūtys blokuoja Gilbert'o gyvenimo kilmę, pakanka, kad sukeltų kitą Nobelistą, Rokfelerio universiteto krikščionį De Duvę, retoriškai paklausti: „Ar Dievas padarė RNR?“

RNR statybiniai blokai, nukleotidai, yra sudėtinės medžiagos kaip organinės molekulės. Kiekviename jų yra cukrus, fosfatas ir viena iš keturių azoto turinčių bazių kaip sub-subvienetai. Taigi kiekvienoje RNR nukleotidoje yra 9 arba 10 anglies atomų, daug azoto ir deguonies atomų ir fosfatų grupė, visi prijungti tiksliai trimatėje struktūroje. Yra daug alternatyvių būdų, kaip sukurti tuos ryšius, suteikiant tūkstančius tikėtinų nukleotidų, kurie galėtų lengvai prisijungti vietoj standartinių, bet kurie nėra reprezentuojami RNR. Tą skaičių patyrė šimtai tūkstančių iki panašių dydžių stabilių organinių molekulių, kurios nėra nukleotidai.

RNR nukleotidai chemikams yra susipažinę dėl jų gausos gyvenime ir dėl to atsirandančio komercinio prieinamumo. Kai kurie mokslininkai, laikydamiesi molekulinės vitalizmo formos, manė, kad gamta turi įgimtą polinkį gaminti gyvybės elementus pirmiausia, o ne kitų molekulių minios, kurios taip pat gali būti gautos iš organinės chemijos taisyklių. Ši idėja įkvėpė žinomą eksperimentą, kurį 1953 m. Paskelbė Stanley Miller. Jis pritaikė kibirkščių išleidimą į paprastų dujų mišinį, kuris, kaip manoma, atspindi ankstyvosios Žemės atmosferą. Dvi aminorūgštys iš 20 rinkinių, naudojamų baltymų konstravimui, susidarė dideliais kiekiais, o kiti - nuo mažo kiekio. („Miller“ eksperimento ir aminorūgšties bei nukleotidų cheminių struktūrų aprašymas pateiktas LE Orgelo „Gyvybės kilmė žemėje“, 1994 m. Spalio mėn.) Be to, daugiau nei 80 skirtingų aminorūgščių - kai kurie dalyviai ir kiti, gyvenantys ne gyvose sistemose, buvo identifikuojami kaip Murchison meteorito komponentai, kurie Australijoje sumažėjo 1969 m. Gamta akivaizdžiai buvo dosni teikdama šių konkrečių blokų pasiūlą. Ekstrapoliuojant šiuos rezultatus, kai kurie rašytojai manė, kad visą gyvenimą galima lengvai suformuoti „Miller“ tipo eksperimentuose ir jie buvo meteorituose ir kituose nežemiškuose kūnuose. Taip nėra.

Kruopščiai išnagrinėjus kelių meteoritų analizės rezultatus, mokslininkai, kurie atliko darbą, padarė kitokią išvadą: negyva gamta turi šališkumą dėl mažiau molekulių, o ne didesnio anglies atomų skaičiaus, ir tokiu būdu rodo nešališkumą už tai, kad būtų kuriami mūsų gyvenimo rūšies elementai. (Kai gaminamos didesnės anglies turinčios molekulės, jos linkusios būti netirpios, neturtingosios vandenilio medžiagos, kurias organiniai chemikai vadina dervomis.) Aš pastebėjau panašų modelį daugelio kibirkštinio išlydžio eksperimentų rezultatuose.

Aminorūgštys, tokios, kaip gaminamos arba randamos šiuose eksperimentuose, yra daug mažiau sudėtingos nei nukleotidai. Jų apibrėžiamosios savybės yra amino grupė (azotas ir du vandeniliai) ir karboksirūgšties grupė (anglis, du oksigenai ir vandenilis), prijungti prie to paties anglies. Paprasčiausiai iš 20, naudojamų gaminti natūralius baltymus, yra tik du anglies atomai. Septyniolika rinkinių turi šešis ar mažiau anglies. Aminorūgštys ir kitos medžiagos, kurios buvo žinomos Miller eksperimente, sudarė du ir tris anglies atomus. Priešingai, jokie jokie nukleotidai nebuvo pranešti kaip kibirkščių išleidimo eksperimentų produktai ar meteoritų tyrimai, taip pat neturėjo mažesnių vienetų (nukleozidų), kurių sudėtyje yra cukraus ir bazės, bet trūksta fosfato.

Norėdami išgelbėti pirmąją RNR koncepciją iš šio kitaip mirtino defekto, jo advokatai sukūrė discipliną, vadinamą prebiotine sinteze. Jie bandė parodyti, kad RNR ir jos komponentai gali būti paruošti laboratorijose kruopščiai kontroliuojamų reakcijų seka, paprastai atliekama vandenyje esant žemėje stebimoms temperatūroms. Tokia seka paprastai prasidėtų su anglies junginiais, kurie buvo pagaminti kibirkštinio išlydžio eksperimentuose arba rasti meteorituose. Konkrečios organinės cheminės medžiagos stebėjimas bet kokiame kiekyje (net kaip sudėtinio mišinio dalis) viename iš pirmiau minėtų šaltinių pateisintų jo klasifikavimą kaip „prebiotiką“, medžiagą, kuri, kaip manoma, buvo ankstyvojoje žemėje. Gavus šį skirtumą, cheminė medžiaga gali būti naudojama grynoje formoje, bet kokiu kiekiu, kitoje prebiotinėje reakcijoje. Tokios reakcijos produktai taip pat būtų laikomi "prebiotikais" ir naudojami sekančiame sekos etape.

Tokio tipo reakcijos sekų naudojimas (be jokios nuorodos į gyvenimo kilmę) jau seniai buvo gerbiama praktika tradicinėje sintetinės organinės chemijos srityje. Mano daktaro disertacijos patarėjas Robertas B. Woodwardas buvo apdovanotas Nobelio premija už puikias chinino, cholesterolio, chlorofilo ir daugelio kitų medžiagų sintezes. Nesvarbu, ar reikėjo kilogramų pradinės medžiagos, kad gautų miligramus produkto. Svarbiausia buvo parodyti, kad žmonės gali gaminti gamtoje randamas medžiagas, nors ir neefektyviai. Deja, nei chemikai, nei laboratorijos nedalyvavo ankstyvoje žemėje RNR gamybai.

Aš paminėsiu vieną iš prebiotikų sintezės pavyzdžių, paskelbtų 1995 m. Gamtos ir „ New York Times“ . RNR bazinis citozinas buvo paruoštas dideliu derliu, šildant dvi išgrynintas chemines medžiagas uždarytame stiklo vamzdelyje, esant 100 ° C temperatūrai, maždaug vieną dieną. Vienas iš reagentų, cianoacetaldehido, yra reaktyvioji medžiaga, galinti derinti su daugeliu bendrų cheminių medžiagų, kurios galėjo atsirasti ankstyvojoje žemėje. Šie konkurentai nebuvo įtraukti. Ypač didelė koncentracija buvo reikalinga, norint paskatinti kitą dalyvį, karbamido, kad reakcija būtų pakankama, kad reakcija būtų sėkminga. Produktas, citozinas, gali savaime sunaikinti paprastu reakcija su vandeniu. Kai karbamido koncentracija buvo sumažinta arba reakcija buvo leidžiama per ilgai, bet koks pagamintas citozinas vėliau buvo sunaikintas. Ši destruktyvi reakcija buvo aptikta mano laboratorijoje, kaip mano tęstinio DNR žalos aplinkai tyrimo dalis. Mūsų pačios ląstelės su ja susiduria, išlaikydamos fermentų, kurie specializuojasi DNR taisyme, rinkinį.

Gamtos dokumente išskirtinai didelė karbamido koncentracija buvo racionalizuota, remdamasi ankstyvosios Žemės lagūnų džiovinimo vizija. Paskelbtoje priešpriešoje aš apskaičiuojau, kad norint pasiekti šią koncentraciją, didelė lagūna turėtų būti išgarinta iki pelkės dydžio, neprarandant jo turinio. Žemėje šiandien tokios funkcijos nėra.

Džiovinimo lagūnos reikalavimas nėra unikalus. Panašios dvasios, kiti prebiotiniai chemikai kreipėsi į šaldančius ledinius ežerus, kalnų gėlavandenių tvenkinių, tekančių upelių, paplūdimių, sausų dykumų, vulkaninių vandeningųjų sluoksnių ir viso pasaulio vandenyno (prireikus užšaldytą ar šiltą) palaikymą, kad būtų patvirtintas jų reikalavimas „nukleotidų sriubai“. RNR sintezei būtinai atsirastų ankstyvoje Žemėje.

Analogiškumas, kuris ateina į galvą, yra golfo žaidėjas, kuris žaidęs golfo kamuoliuką per 18 kiaurymių ruožą, tada manė, kad kamuolys taip pat gali žaisti aplink kursą jo nedalyvaujant. Jis parodė įvykio galimybę; tik buvo prielaida, kad tam tikras gamtos jėgų (žemės drebėjimų, vėjų, tornado ir potvynių) derinys gali sukelti tą patį rezultatą, suteikiant pakankamai laiko. Joks fizinis įstatymas neturi būti nutrauktas, kad įvyktų spontaniškas RNR formavimasis, bet prieš jį atsirandančios galimybės yra tokios didžiulės, kad pasiūlymas reiškia, kad negyvas pasaulis turėjo įgimtą norą generuoti RNR. Didžioji dalis gyvybės mokslininkų, kurie vis dar palaiko RNR pirmąją teoriją, priima šią koncepciją (netiesiogiai, jei ne aiškiai) arba jaučia, kad nepaprastai nepalankūs šansai buvo tiesiog įveikti sėkme.

Paprastesnis replikatorius?

Daugelis chemikų, susidūrę su šiais sunkumais, pabėgo iš RNR pirmosios hipotezės, tarsi tai būtų ugnis. Tačiau viena grupė, kuri vis dar buvo paimta iš savęs kopijuojančios molekulės vizijos, pasirinko išėjimą, kuris sukelia panašius pavojus. Šiose persvarstytose teorijose paprastesnis replikatorius atsirado pirmoji ir valdė gyvenimą „prieš RNR pasaulį“. Buvo pasiūlyti variantai, kuriuose bazės, cukrus arba visas RNR pagrindas buvo pakeistas paprastesnėmis medžiagomis, labiau prieinamas prebiotinėms sintezėms. Manoma, kad šis pirmasis replikatorius taip pat turėtų katalizinius RNR gebėjimus. Kadangi šiuolaikinėje biologijoje iki šiol nepripažįstama šio hipotetinio pirminio replikatoriaus ir katalizatoriaus pėdsakų, RNR turi būti visiškai perėmusi visas savo funkcijas tam tikru momentu po jo atsiradimo.

Be to, bet kokio tokio replikatoriaus spontaniškas pasirodymas be chemistės pagalbos susiduria su neįtikėtinomis savybėmis, kurios nykštukės dalyvauja paruošiant tik nukleotidų sriubą. Darysime prielaidą, kad sriubos, praturtintos visų šių siūlomų replikatorių statybiniuose blokeliuose, kažkaip buvo surinktos tokiomis sąlygomis, kurios skatina jų jungimąsi į grandines. Juos lydėtų statybinių blokų minios, kurių įtraukimas sužlugdytų grandinės gebėjimą veikti kaip replikatorius. Paprasčiausias klaidingas vienetas būtų terminatorius, komponentas, turintis tik vieną „ranką“, skirtą prisijungimui, o ne du, reikalingus tolesniam grandinės augimui palaikyti.

Nėra jokios priežasties manyti, kad vienalytė prigimtis nesudarytų atsitiktinių vienetų, gamindama milžinišką hibridinių trumpų, nutrauktų grandinių įvairovę, o ne daug ilgesnį vienodo pagrindo geometrijos, reikalingos replikatoriaus ir katalizinių funkcijų palaikymui. Galima būtų atlikti tikimybių skaičiavimus, bet aš labiau norėčiau naudoti daug labiau naudojamą analogiją. Įdėkite gorilą (reikalingos labai ilgos rankos) prie didžiulės klaviatūros, prijungtos prie teksto procesoriaus. Klaviatūroje yra ne tik anglų ir Europos kalbomis naudojami simboliai, bet ir didžiulis perteklius, gaunamas iš bet kurios kitos žinomos kalbos, ir visi simbolių rinkiniai, saugomi tipiškame kompiuteryje. Galimybės spontaniškai susikurti pirmiau aprašytame I baseine galima palyginti su gorilos, kurią anglų kalba sudaro nuoseklus čili conne paruošimo receptas. Atsižvelgiant į panašias aplinkybes, Gerald F. Joyce iš Scripps tyrimų instituto ir Leslie Orgel iš Salk instituto padarė išvadą, kad spontaniškas RNR grandinių atsiradimas negyvi Žemėje "būtų buvęs arti stebuklo". Šią išvadą galėčiau išplėsti į visus siūlomus RNR pakaitalus, kuriuos minėjau anksčiau.

Gyvenimas su mažomis molekulėmis

Nobelio premijos laureatas Christian de Duve paragino „nepagrįstai didelių nepasitenkinimo atmetimą, kad jie gali būti vadinami tik stebuklais, reiškiniais, kurie nepatenka į mokslinio tyrimo taikymo sritį“. DNR, RNR, baltymai ir kitos sudėtingos didelės molekulės turi būti atidėtos kaip gyvybės kilmės dalyvės. Gyvybinė prigimtis suteikia mums įvairių mažų molekulių mišinių, kurių elgesį reguliuoja moksliniai įstatymai, o ne žmogaus įsikišimas.

Laimei, alternatyvi teorijų grupė, galinti naudoti šias medžiagas, egzistavo dešimtmečius. Teorijose naudojamas termodinaminis, o ne genetinis gyvenimo apibrėžimas, pagal Carl Sagan pateiktą schemą „Encyclopedia Britannica“: lokalizuotas regionas, kuris didėja tvarka (entropijos sumažėjimas) per ciklą, kurį lemia energijos srautas, būtų laikomas gyvu. Šis nedidelės molekulės metodas grindžiamas sovietų biologo Aleksandro Oparino idėjomis, o dabartiniai žymūs atstovai yra De Duve, Freeman Dyson iš Išsamių studijų instituto, Stuart Kauffman iš Santa Fė instituto, Doron Lancet iš Weizmann instituto, Haroldas Morowitz iš George Mason universiteto ir nepriklausomas mokslininkas Gnter Wchtershuser. Manau, kad maždaug trečdalis chemikų, dalyvaujančių gyvenimo kilmės tyrime, prenumeruoja teorijas, pagrįstas šia idėja. Tokio tipo kilmės pasiūlymai skiriasi konkrečiais duomenimis; čia bandysiu išvardyti penkis bendruosius reikalavimus (ir pridėti keletą mano pačių idėjų).

(1) Norint atskirti gyvenimą nuo ne gyvybės, reikia ribos. Gyvenimas pasižymi dideliu organizavimo laipsniu, tačiau antrasis termodinamikos įstatymas reikalauja, kad visata judėtų kryptimi, kurioje didėja sutrikimas ar entropija. Tačiau spraga leidžia entropijai mažinti ribotą plotą, su sąlyga, kad didesnis plotas atsiras už teritorijos ribų. Kai gyvos ląstelės auga ir daugėja, cheminė energija arba spinduliuotė tuo pačiu metu paverčia šilumą. Išleista šiluma padidina aplinkos entropiją, kompensuodama gyvųjų sistemų sumažėjimą. Ši riba išlaiko šį pasaulio pasidalijimą į gyvybės kišenes ir ne gyvą aplinką, kurioje jie turi išlaikyti save.

Šiandien sudėtingos dviejų sluoksnių ląstelių membranos, pagamintos iš cheminių medžiagų, klasifikuojamų kaip lipidai, atskiria gyvas ląsteles iš jų aplinkos. Kai gyvenimas prasidėjo, kai kurie natūralūs bruožai tikriausiai buvo tokie patys. Kalifornijos universiteto „Santa Cruz“ Davidas W. Deameris meteorituose pastebėjo panašias į membraną struktūras. Kiti pasiūlymai rodo, kad šiandien gyvenime nenaudojamos natūralios ribos, pvz., Geležies sulfido membranos, mineraliniai paviršiai (kuriuose elektrostatinė sąveika išskiria pasirinktas molekules iš jų aplinkos), mažieji tvenkiniai ir aerozoliai.

(2) Organizacijos procesui valdyti reikalingas energijos šaltinis. Mes vartojame angliavandenius ir riebalus ir sujungiame juos su deguonimi, kurią įkvepiame, kad išliktume gyvi. Mikroorganizmai yra universalesni ir gali naudoti mineralus vietoj maisto ar deguonies. Bet kuriuo atveju dalyvaujančios transformacijos vadinamos redokso reakcijomis. Jie apima elektronų perkėlimą iš elektronų turinčios (arba redukuotos) medžiagos į elektroną prastą (arba oksiduotą) medžiagą. Augalai gali tiesiogiai sugauti saulės energiją ir pritaikyti ją gyvenimo funkcijoms. Kitos energijos rūšys ląstelės naudoja specialiomis aplinkybėmis - pavyzdžiui, rūgštingumo skirtumai priešingose ​​membranos pusėse. Tačiau kiti, pavyzdžiui, radioaktyvumas ir staigūs temperatūros skirtumai, gali būti naudojami gyvenime kitur visatoje. Čia aš apsvarstysiu redokso reakcijas kaip energijos šaltinį.

(3) Sukabinimo mechanizmas turi susieti energijos išleidimą su organizacijos procesu, kuris gamina ir palaiko gyvybę. Energijos išleidimas nebūtinai yra naudingas rezultatas. Cheminė energija išsiskiria, kai deginamas benzinas mano automobilio cilindruose, tačiau transporto priemonė nevažiuoja, nebent energija būtų naudojama ratams sukti. Būtinas mechaninis sujungimas arba mova. Kiekvieną dieną mūsų pačiose ląstelėse kiekvienas iš mūsų mažina nukleotido, vadinamo ATP, svarą. Ši palanki reakcija išlaisvina energiją, kuri skatina mažiau palankius, bet mūsų biochemijai būtinus procesus. Ryšys pasiekiamas, kai reakcijos turi bendrą tarpinį poveikį, o procesą pagreitina fermento įsikišimas. Viena iš prielaidų, kad mažos molekulės yra požiūris, yra tai, kad gamtoje egzistuoja susietos reakcijos ir primityvūs katalizatoriai, kurių pakanka gyvenimui pradėti.

(4) Turi būti sudarytas cheminis tinklas, kuris leistų prisitaikyti ir vystytis. Dabar atėjome prie klausimo širdies. Pavyzdžiui, įsivaizduokite, kad energetiškai palanki natūraliai esamo mineralinio redokso reakcija yra susijusi su organinės cheminės medžiagos A konversija į kitą B skyriuje. Palanki, energiją išskirianti, entropiją didinanti mineralų reakcija skatina A-B transformaciją. Šį pagrindinį transformavimą vadinu vairuotojo reakcija, nes ji yra variklis, kuris mobilizuoja organizacijos procesą. Jei B paprasčiausiai susigrąžintų atgal į A arba išeis iš skyriaus, mes negalėtume eiti į kelią, kuris veda prie padidėjusios organizacijos. Priešingai, jei daugiapakopis cheminis kelias - pvz., B – C – A – A - konvertuoja B į A, tuomet pirmenybė teikiama žiedinio proceso (arba ciklo) veiksmams, nes jie papildo A, leidžiantis tęsti energijos išleidimą iš mineralinės reakcijos.

Jei vizualizuojame ciklą kaip apvalią geležinkelio liniją, energijos šaltinis išlaiko traukinius vienu keliu. Kiekviena stotis taip pat gali būti daugelio atšakų linijų, tokių kaip viena jungiamoji stotis D, centras į kitą stotį. E. Traukiniai gali važiuoti bet kuria kryptimi išilgai šios šakos, išeikvoti arba padidinti ciklą. Nepaisant nuolatinio A išeikvojimo, medžiaga iš D į A traukiama. Dėl to atsiradęs D išeikvojimas linkęs traukti medžiagą iš E į D. Tokiu būdu medžiaga „ištraukiama“ išilgai šakų linijų į centrinę ciklo metu, maksimaliai išlaisvinant energiją, kuri yra prie vairuotojo reakcijos.

Šis ciklas taip pat galėtų prisitaikyti prie besikeičiančių aplinkybių. Būdamas vaikas, mane sužavėjo būdas, kuriuo vanduo, išleidžiamas iš nuotėkio hidranto, suras kelią žemyn į artimiausią kanalizaciją. Jei nukritę lapai ar nukritusios atliekos užblokavo tą kelią, vanduo sugrįš, kol aplink kliūtį rastas kitas kelias. Tokiu pačiu būdu, jei rūgštingumo pasikeitimas ar kitokia aplinkos aplinkybė turėtų trukdyti pakeliui nuo B iki A, medžiaga būtų atkurta tol, kol rastas kitas kelias. Papildomi šio tipo pakeitimai pakeistų pradinį ciklą į tinklą. Šis bandomasis ir klaidingas cheminės „kraštovaizdžio“ tyrimas taip pat gali parodyti junginius, kurie galėtų paskatinti svarbius ciklo žingsnius, didinant efektyvumą, kuriuo tinklas pasinaudojo energijos šaltiniu.

(5) Tinklas turi augti ir daugintis. Norint išgyventi ir augti, tinklas turi įgyti medžiagą tokiu greičiu, kuris kompensuotų kelius, kurie jį pašalina. Tinklo medžiagų išsklaidymas iš skyriaus į išorinį pasaulį yra palankus entropijai ir tam tikru mastu, ypač gyvenimo pradžioje, atsiras, kai riba yra neapdorota, kurią nustatė aplinka, o ne viena iš labai veiksmingų galimų ląstelių membranų. šiandien po milijardų metų evoliucijos. Kai kurios šalutinės reakcijos gali sukelti dujų, kurios išsiskiria arba sudaro dervas, kurios išeis iš tirpalo. Jei šie procesai kartu turėtų viršyti greitį, kuriuo tinklas įgyja medžiagą, tada jis išnyks. Išorinio kuro išeikvojimas turėtų tą patį poveikį. Ankstyvoje Žemėje galime įsivaizduoti situaciją, kai atsiranda daugybė tokio tipo steigėjų, kuriuose yra daug alternatyvių vairuotojų reakcijų ir išorinių energijos šaltinių. Galiausiai, ypač tvirtas, įsitvirtintų ir palaikytų save.

Galiausiai turi būti sukurta reprodukcijos sistema. Jei mūsų tinklas yra laikomas lipidų membranoje, fizinės jėgos gali jį suskaidyti po to, kai ji pakankamai išaugo. (Freemanas Dysonas tokią sistemą apibūdino kaip „šiukšlių maišų pasaulį“, priešingai nei „tvarkingas ir gražus RNR pasaulis“.) Sistema, kuri veikia skyriuje, esančiame mineralinėje dalyje, gali perpildyti į gretimus skyrius. Nepriklausomai nuo to, koks mechanizmas gali būti, šis išskirstymas į atskirtus vienetus apsaugo sistemą nuo visiško išnykimo vietiniu destruktyviu įvykiu. Kai buvo įsteigti nepriklausomi padaliniai, jie gali vystytis įvairiais būdais ir konkuruoti tarpusavyje dėl žaliavų; mes būtume padarę perėjimą nuo gyvenimo, atsirandančio iš ne gyvos medžiagos, per turimą energijos šaltinį į gyvenimą, kuris prisitaiko prie jos aplinkos darvinizmo evoliucija.

Paradigmos keitimas

I tipo tipų sistemos paprastai klasifikuojamos antraštėje „Pirmiausia medžiagų apykaita“, o tai reiškia, kad jose nėra paveldimumo mechanizmo. Kitaip tariant, jame nėra jokios akivaizdžios molekulės ar struktūros, kuri leistų jose saugomą informaciją (jų paveldimumą) dubliuoti ir perduoti jų palikuonims. Tačiau mažų daiktų rinkinys turi tą pačią informaciją kaip ir sąrašas, apibūdinantis elementus. Pavyzdžiui, mano žmona man suteikia prekybos centrui prekybos sąrašą; maisto prekių, kurias grąžinu, rinkinyje yra ta pati informacija kaip ir sąraše. Doronas Lancetas pavadinimą „kompozicinis genomas“ suteikė paveldėjimui, saugomam mažose molekulėse, o ne sąraše, pavyzdžiui, DNR ar RNR.

Mažos molekulės požiūris į gyvenimo kilmę kelia kelis reikalavimus gamtai (skyriui, išoriniam energijos tiekimui, vairuotojo reakcijai, susietai su šiuo tiekimu ir cheminiu tinklu, kuriame yra ta reakcija). Tačiau šie reikalavimai yra bendro pobūdžio ir yra nepaprastai labiau tikėtini nei parengti daugiapakopiai keliai, reikalingi molekulei, kuri gali veikti kaip replikatorius.

Per daugelį metų teoriniai dokumentai pirmiausia yra pažengę į medžiagų apykaitą, tačiau jų pagrindu buvo pateikti palyginti nedideli eksperimentiniai darbai. Tais atvejais, kai buvo paskelbti eksperimentai, jie paprastai pademonstravo siūlomų ciklų atskirų veiksmų patikimumą. Didžiausias naujų duomenų kiekis galbūt buvo gautas iš Gnter Wchtershuser ir jo kolegų Technische Universitt Mnchen. Jie parodė ciklo dalis, apimančią aminorūgščių derinimą ir atskyrimą, dalyvaujant metalo sulfido katalizatoriams. Transformacijų energinę varomąją jėgą užtikrina anglies monoksido oksidavimas į anglies dioksidą. Jie dar neįrodė viso ciklo veikimo ar gebėjimo išlaikyti save ir toliau tobulėti. Norint nustatyti mažos molekulės metodo pagrįstumą, reikalingas „rūkymo pistoleto“ eksperimentas, rodantis šias tris savybes.

Pagrindinė pradinė užduotis yra vairuotojo reakcijos į kandidatus nustatymas - mažų molekulių transformacijos (A pavyzdys iki B), kurios yra susietos su gausiu išoriniu energijos šaltiniu (pvz., Anglies monoksido ar mineralinio oksidavimo). Nustačius patikimą vairuotojo reakciją, nereikėtų iš anksto nurodyti likusios sistemos dalies. Pasirinktus komponentus (įskaitant energijos šaltinį) ir kitų mažų molekulių mišinį, paprastai gaminamą natūralių procesų metu (ir kurie greičiausiai buvo gausūs ankstyvojoje žemėje), galima sujungti į tinkamą reakcijos indą. Jei būtų sukurtas besivystantis tinklas, tikimės, kad tinklo dalyvių koncentracija laikui bėgant padidės ir keisis. Gali atsirasti naujų katalizatorių, kurie padidino pagrindinių reakcijų greitį, o netinkamos medžiagos sumažėtų. Reaktoriui reikės įvesties įrenginio, kuris leistų papildyti energijos tiekimą ir žaliavas, ir išleidimo angą, kad būtų galima pašalinti atliekas ir chemines medžiagas, kurios nebuvo tinklo dalis.

Tokiuose eksperimentuose nesėkmės būtų lengvai atpažįstamos. Energija gali būti išsklaidyta nesukeliant reikšmingų kitų cheminių medžiagų koncentracijos pokyčių, arba cheminės medžiagos gali būti tiesiog konvertuojamos į dervą, kuri užkimš aparatą. Sėkmė gali parodyti pradinius žingsnius kelyje į gyvenimą. Šie žingsniai neturi dubliuoti tų, kurie įvyko ankstyvoje Žemėje. Dar svarbiau, kad būtų parodytas ir pateikiamas tolesnis tyrimas. Galimi keli potencialūs keliai į gyvenimą, pasirinkus vietos aplinką.

Supratimas apie pradinius žingsnius, vedančius į gyvenimą, neatskleistų konkrečių įvykių, dėl kurių šiandien buvo pažįstami DNR-RNR baltymai. Tačiau, kadangi žinome, kad evoliucija nenumato būsimų įvykių, galime daryti prielaidą, kad nukleotidai pirmą kartą pasirodė metabolizme, kad tarnautų kitam tikslui, galbūt kaip katalizatoriams arba kaip talpykloms cheminės energijos saugojimui (nukleotidų ATP ši funkcija vis dar tarnauja šiandien) . Kai kurie atsitiktiniai įvykiai ar aplinkybės galėjo sukelti nukleotidų sujungimą su RNR. Akivaizdžiausia RNR funkcija yra tarnauti kaip struktūrinis elementas, kuris padeda formuoti ryšius tarp aminorūgščių baltymų sintezėje. Pirmieji RNR galėjo būti naudojami tuo pačiu tikslu, bet nenurodant konkrečių aminorūgščių. Reikėtų daug tolesnių evoliucijos žingsnių, kad „išrastų“ sudėtingus replikacijos mechanizmus ir specifinę baltymų sintezę, kurią šiandien stebime gyvenime.

Jei buvo patvirtinta bendroji mažųjų molekulių paradigma, pasikeis mūsų lūkesčiai dėl gyvenimo vietos visatoje. Labai neįtikėtinas gyvenimo pradžia, kaip ir pirmasis RNR scenarijus, reiškia visatą, kurioje esame vieni. Vėlyvojo Jacqueso Monodo žodžiais: „Visata nebuvo nėščia gyvenimu ar biosfera su žmogumi. Mūsų skaičius pasirodė Monte Carlo žaidime.“ Tačiau mažos molekulės alternatyva atitinka biologo Stuarto Kauffmano požiūrį: „Jei tai yra tiesa, gyvenimas yra žymiai labiau tikėtinas, nei mes manėme. labiau tikėtina, kad ją bendrins su nežinomais kompanionais. "

ROBERT SHAPIRO yra chemijos profesorius ir Niujorko universiteto vyresnysis mokslo darbuotojas. Jis yra daugiau kaip 125 publikacijų autorius arba bendraautorius, daugiausia DNR chemijos srityje. Visų pirma jis ir jo kolegos ištyrė būdus, kaip aplinkos cheminės medžiagos gali sugadinti mūsų paveldimą medžiagą, sukeldamos pokyčius, galinčius sukelti mutacijas ir vėžį. 2004 m. Jis buvo apdovanotas „Trotter“ premija informacijai, sudėtingumui ir išvadoms. Shapiro parašė keturias knygas plačiajai visuomenei: „ Life Beyond Earth“ (su Gerald Feinberg); „Origins“ - skeptikų vadovas gyvybės kūrimui žemėje ; Žmogaus planas (apie pastangas perskaityti žmogaus genomą); ir Planetinės svajonės (dėl gyvenimo paieškos mūsų saulės sistemoje). Kai jis nedalyvauja moksliniuose tyrimuose, paskaitose ar rašydamas, jis džiaugiasi bėgimu, pėsčiomis, vyno degustacijomis, teatru ir kelionėmis. Jis yra vedęs ir turi 35 metų sūnų.