Hur lyckades livet att dela ihop många olika delar? Åtminstone behövde de första livsformerna på jorden ett sätt att lagra och reproducera information. Först då kan de kopiera sig själva och sprida sig över hela världen. Kanske spelade kemi en mycket viktigare roll i livets ursprung än tidigare trott.
En av de mest inflytelserika hypoteserna är att det hela började med RNA, en molekyl som samtidigt kan registrera genetiska register och utlösa kemiska reaktioner. Hypotesen om "RNA-världen" visar sig i många former, men enligt det mest traditionella började livet med bildandet av en RNA-molekyl som kan reproducera sig. Hennes ättlingar utvecklade förmågan att utföra många uppgifter som att göra nya föreningar och lagra energi. Med tiden följde ett svårt liv.
Men forskare har funnit att självreplikerande RNA är förvånansvärt svårt att skapa i laboratoriet. De har lyckats, men kandidatmolekylerna gjorda hittills kan bara reproducera RNA med en viss sekvens eller längd. Dessutom är själva dessa RNA-molekyler ganska komplexa, vilket väcker frågor om hur de kunde ha bildats genom en kemisk olycks vilja.
Nick Hud, en kemist vid Georgia Institute of Technology, och hans kollegor beslutade att gå längre än biologin och studera den möjliga rollen för kemi i livets ursprung. Kanske före framväxten av biologi fanns det ett preliminärt stadium av proto-livet, där endast kemiska processer skapade en "buffé" av RNA och RNA-liknande molekyler. "Jag tror att det fanns en hel del steg som ledde till ett självreplikerande självhushållande system," säger Hud.
I detta scenario kan olika RNA-liknande molekyler bildas spontant, vilket hjälper den kemiska buljongen att samtidigt uppfinna många av de detaljer som är nödvändiga för livets utveckling. Proto-livsformer experimenterade med primitiv molekylteknologi och delade den bit för bit. Hela systemet fungerade som en gigantisk kross. Det var först när ett sådant system upprättades som självreplikerande RNA uppstod.
I hjärtat av Huds förslag är det kemiska sättet att skapa en så rik variation av proto-liv. Datorsimuleringar visar att vissa kemiska förhållanden kan producera en mångfaldig samling av RNA-liknande molekyler. Teamet testar för närvarande denna idé med riktiga molekyler i labbet och hoppas kunna presentera resultat snart.
Huds grupp banar väg för ett antal forskare som utmanar den traditionella hypotesen om RNA-världen och dess beroende av biologisk, snarare än kemisk, evolution. I den traditionella modellen skapades ny molekylteknik med biologiska katalysatorer - enzymer - som är fallet med moderna celler. Under Huds proto-livsfas kunde myriader av RNA eller RNA-liknande molekyler bildas och förändras med rent kemiska medel. "Kemisk utveckling kunde ha hjälpt till att starta livet utan enzymer," säger Hud.
Kampanjvideo:
Hud och hans kollegor bestämde sig för att gå vidare och anta att ribosomen, den enda biologiska tekniken som finns i alla levande saker idag, helt och hållet kom ut ur kemin ensam. Detta är ett ovanligt sätt att titta på saker, eftersom många tror att ribosomen föddes av biologi.
Om Huds team kan skapa former av proto-liv under förhållanden som kan ha funnits på tidig jord, kan det antas att kemisk utveckling kan ha spelat en mycket mer betydande roll i livets ursprung än forskarna förväntade sig. "Darwinian evolution kan ha föregåtts av en enklare form av evolution," säger Niels Lehman, en biokemist vid Portland University i Oregon.
Pre-Darwinian värld
När de flesta tänker på evolution kommer darwiniska evolutionen att tänka på, där organismer konkurrerar med varandra för begränsade resurser och överlämnar genetisk information till deras ättlingar. Varje generation genomgår genetiska korrigeringar, och de mest framgångsrika avkommorna överlever att överföra sina gener. Detta utvecklingssätt råder i det moderna livet.
Karl Woese, den berömda biologen som gav oss det moderna livsträdet, trodde att den darwiniska eran föregicks av ett tidigt livsfas som styrdes av helt andra evolutionära krafter. Woese trodde att det skulle vara nästan omöjligt för en enda cell att få allt den behöver för att leva. Därför föreställde han sig en rik mångfald molekyler involverade i den kommunala existensen. I stället för att konkurrera med varandra delade primitiva celler molekylära innovationer. Denna pre-darwiniska buljong skapade ingredienserna som behövs för komplexa liv och banade vägen för den magnifika menagerien vi ser på jorden idag.
Huds modell tar Woeses pre-darwiniska tidsvision ännu längre tillbaka i tiden och ger primitiva celler de kemiska medlen för att skapa molekylär mångfald. En form av proto-liv kan utforma ett sätt att skapa de block som den behövde för att skapa sig själv, en annan kunde hitta ett sätt att få energi. Denna modell skiljer sig från den traditionella hypotesen om RNA-världen i dess beroende av kemisk snarare än biologisk evolution.
I RNA: s värld reproducerade de första RNA-molekylerna sig med det inbyggda enzymet ribozym, som består av RNA. I Huds världs prototyper utfördes denna uppgift uteslutande med kemiska metoder. Berättelsen börjar med en kemisk soppa av RNA-liknande molekyler. De flesta var korta, eftersom korta kedjor troligen skulle bildas spontant, men det kunde också finnas längre, komplexa molekyler. Huds modell beskriver hur längre molekyler kan reproduceras utan hjälp av ett enzym.
Hud tror att den primära RNA-buljongen i den prebiotiska världen genomgick regelbundna uppvärmnings- och kylningscykler och blev tjock och viskös. Värmen separerade de bundna RNA-paren och den viskösa lösningen höll molekylerna isär ett tag. Samtidigt är små segment av RNA, bara några tecken långa, fästa vid varje lång tråd. Dessa små segment stickades gradvis samman och bildade en ny RNA-sträng motsvarande den ursprungliga långa strängen. Sedan startade cykeln igen.
RNA-replikering kemiska vägar
Med tiden, när buljongen i en mängd olika RNA-liknande molekyler expanderade och växte, fick vissa av dem enkla funktioner som metabolism. På samma sätt skulle rena kemiska reaktioner kunna producera molekylär mångfald för att skapa en pre-darwinisk cornucopia av Woese proto-liv.
Huds grupp har lyckats genomföra de tidiga stadierna i reproduktionsprocessen i laboratoriet, även om de ännu inte har lärt sig hur man klister korta segment utan att ta till biologiska verktyg. Om de kan övervinna detta hinder kommer de att skapa ett universellt sätt att reproducera RNA.
Vissa forskare tvivlar emellertid på att kemiskt medierad reproduktion kommer att vara tillräckligt bra för att reproducera den pre-darwiniska världen som Hud beskriver. "Jag vet inte om jag tror det," säger Paul Higgs, en biofysiker vid McMaster University i Hamilton, Ontario, som studerar livets ursprung. "Allt måste ske snabbt och noggrant för att skapa konsistens." Det vill säga denna process måste producera nya RNA snabbare än de förstörs, och noggrant för att skapa ungefärliga kopior av mallmolekyler.
Kemiska förändringar ensamma räcker inte för att få liv. Protonlivets buljong behövde fortfarande någon form av selektion som skulle säkerställa att gynnsamma molekyler skulle frodas och föröka sig. I sin modell antyder Hadas grupp att de enklaste protozymerna kunde ha dykt upp och spridits, vilket började gynna deras skapare och samhället i stort. Till exempel gynnade en RNA-molekyl som producerade fler byggstenar sig själv och dess grannar genom att förse dem med ytterligare råmaterial för reproduktion. Datorsimuleringar utförda av Huds grupp visade att denna typ av molekyl mycket väl kunde slå rot. Den som berikar buljongen är till stor hjälp.
Ribosomala rötter
Ett möjligt glimt av den pre-darwiniska världen kan ses i ribosomen, en gammal del av molekylmaskineriet som ligger till grund för vår genetiska kod. Det är ett enzym som översätter RNA, som kodar genetisk information, till proteiner som utför många kemiska reaktioner i våra celler.
Ribbosomkärnan består av RNA. Detta gör ribosomen unik - de allra flesta enzymer i våra celler består av proteiner. Både den ribosomala kärnan och den genetiska koden är gemensamma för alla levande saker, vilket indikerar deras existens i början av livets utveckling, eventuellt redan innan den darwinistiska tröskeln korsades.
Hud och hans kollega Lauren Williams, också från Georgia Tech, pekar på ribosomen som stödjer deras teori om den kemiskt definierade världen. I ett papper som publicerades förra året gjorde de ett kontroversiellt uttalande: ribosomens kärna skapades genom kemisk utveckling. Och de föreslog också att det verkade redan före uppkomsten av den första självreplikerande RNA-molekylen. Den ribosomala kärnan kan ha varit ett framgångsrikt experiment i kemisk utveckling, säger de. Och efter att den slog rot i den pre-darwiniska buljongen, korsade den den darwiniska tröskeln och blev en viktig del av allt liv.
Deras argument förlitar sig på den relativa enkelheten i ribosomalkärnan, formellt känd som peptidyltransferascentret (PTC). PTC: s uppgift är att sätta ihop aminosyror, byggstenarna för proteiner. Till skillnad från traditionella enzymer, som påskyndar kemiska reaktioner med”smarta kemiska tricks”, fungerar det som ett torkmedel. Han övertalar två aminosyror till bindning genom att helt enkelt ta bort vattenmolekylen. "Det är ett så dåligt sätt att stänga av en reaktion," säger Lehman. "Proteinenzymer brukar förlita sig på kraftigare kemiska strategier."
Lehman konstaterar att enkelhet troligen föregick makten i de tidigaste stadierna i livet.”När du tänker på livets ursprung måste du först tänka på enkel kemi; varje process med den enklaste kemi är sannolikt antik, säger han. "Jag tror att detta är ett mer övertygande argument än det faktum att hon tillhör allt livet."
Trots starka bevis är det fortfarande svårt att föreställa sig hur ribosomkärnan kunde ha skapats till följd av kemisk utveckling. Ett enzym som gör mer av sig själv - som en RNA-replikator i RNA-världshypotesen - skapar automatiskt en sluten slinga och ständigt ökar sin egen produktivitet. Däremot producerar inte ribosomala kärnor fler ribosomala kärnor. Det producerar slumpmässiga kedjor av aminosyror. Det är oklart hur denna process bör stimulera produktionen av fler ribosomer.
Hud och hans kollegor spekulerar i att RNA och proteiner utvecklades i tandem, och vem som räknade ut hur man arbetar tillsammans överlevde. Denna idé saknar enkelheten i RNA-världen, som postulerar förekomsten av en enda molekyl som kan samtidigt koda information och katalysera kemiska reaktioner. Men Hud tror annars: det är komplexitet som ger elegans till livets uppkomst.
"Jag tror att det alltid har varit en övervikt på enkelhet, att en polymer är bättre än två," säger han.”Det kan vara lättare att få specifika reaktioner om de två polymererna arbetar tillsammans. Det kan ha varit lättare för polymererna att arbeta tillsammans från början.”
Baserat på material från Quanta Magazine
