JustPaste.it

Abiogeneza: pochodzenie życia

Zagadka pochodzenia życia jest chyba największym wyzwaniem, przed jakim stoi współczesna biologia.

Zagadka pochodzenia życia jest chyba największym wyzwaniem, przed jakim stoi współczesna biologia.

 

Do połowy XIX wieku wszystkie próby odpowiedzi na pytanie o początki życia sprowadzały się do sfery religijno – mitologicznej. Powszechnie akceptowano istnienie tajemniczej vis vitalis, siły życiowej, mającej odróżniać organizmy żywe od martwej materii. Wyłącznie dzięki niej miały powstawać wszystkie organiczne związki chemiczne. Dopiero w 1828 roku Friedrich Wöhler dokonał pierwszej sztucznej syntezy substancji organicznej – mocznika. Dziś chemicy syntezują tysiące związków organicznych.

Żeby coś odrzucić, trzeba mieć lepsze wyjaśnienie, a takiego, za wyjątkiem naiwnej, pochodzącej jeszcze od Arystotelesa koncepcji samorództwa, nie było. Teoria Darwina rzuciła nowe światło na powstania różnorodności żywych form, nie mówiła jednak nic o samych początkach życia. Sam Darwin niewiele pisał na temat powstania życia, a czasami sam sobie przeczył w wypowiedziach, raz pisząc:

Wzniosły zaiste jest to pogląd, że Stwórca natchnął życiem kilka form lub jedną tylko ...

a w innej części „O powstawaniu gatunków”:

...życie powstało "w małej, ciepłej, błotnistej kałuży" na wczesnej Ziemi, w warunkach dziś już nie występujących”.

Ostatnie zdanie, chociaż brzmi dość naiwnie, jest właściwie streszczeniem współczesnych koncepcji abiogenezy...! I chociaż teoria ewolucji mówi o innych zagadnieniach, niż teorie abiogenezy – jedna o rozwoju istniejącego już życia, a druga o jego powstaniu – obydwie nawzajem się uzupełniają. Jak się dalej okaże, podstawowy mechanizm ewolucyjny – selekcja – musiał działać już na bardzo wczesnych etapach, na których zazwyczaj nie mówi się jeszcze o „życiu”.

 

Teoria Oparina

Pierwszą koncepcją próbującą w sposób naturalistyczny wyjaśnić powstanie życia była teoria rosyjskiego biochemika, Aleksandra Oparina.

Postulował tworzenie się tzw. „koacerwatów” - dużych miceli, przez związki amfifilowe tworzących się się samoistnie w układach koloidalnych, jako form najbardziej zbliżonych do współczesnych komórek. Bariera oddzielająca koacerwat od środowiska zewnętrznego jest półprzepuszczalna, więc warunki panujące wewnątrz mogą radykalnie różnić się od zewnętrznych. Zaproponowany przez niego trójetapowy schemat abiogenezy, co prawda ze znacznymi modyfikacjami, istotny jest do dzisiaj:

    1. Związki organiczne samoistnie tworzą się z nieorganicznych (potwierdzone)
    2. Materia organiczna samoistnie tworzy „koacerwaty” (prawdopodobne?)
    3. Niektóre koacerwaty uzyskują zdolność rozmnażania, stając się „prakomórkami” (JAK???)

Tylko skąd wzięły się enzymy – złożone białka – w tych koacerwatach? Nawet jeśli pominąć argument prawdopodobieństwa powstania funkcjonalnej struktury, w wodzie szybko hydrolizują, a przede wszystkim nie potrafią się same kopiować!

Teoria Oparina została potraktowana tu skrótowo, jako że obecnie ma jedynie historyczne znaczenie. Nic bowiem nie mówi o powstaniu najważniejszych cech żywego organizmu: replikacji, zmienności i selekcji. Niemniej jednak zasługuje na uwagę, jako pierwsza próba wyjaśnienia istnienia takiego zjawiska, jak życie, bez odwoływania się do mitologii.

 

Pierwotna ziemia wydawałaby się nam środowiskiem wyjątkowo nie sprzyjającym życiu, jakie znamy obecnie. Atmosfera złożona głównie z H2, NH3, H2O, CH4 i trudnych do określenia ilości CO2, N2, i NOX (wg różnych hipotez od silnie redukującej do prawie obojętnej). Z pewnością, wskutek braku tlenu, pozbawiona warstwy ozonowej, więc cała planeta była zalana zabójczym dla życia promieniowaniem UV. Aktywność sejsmiczna i wulkaniczna w skali nieporównywalnej do czegokolwiek, co widzimy obecnie – nie była jeszcze do końca zestalona skorupa ziemska. Do tego dochodziło nieustanne bombardowanie okruchami kosmicznej materii z nie uformowanego do końca Układu Słonecznego.

Gdyby wówczas istniało takie życie, jakie znamy dzisiaj, nie miałoby żadnych szans przetrwania. Ale właśnie takie warunki umożliwiły syntezę pierwszych molekuł, które stały się podstawowymi „cegiełkami” życia...


Eksperyment Urey'a – Millera

3eed79ff447f59ae2cb92e392e1138e6.png

W 1953r. Stanley L. Miller, doktorant Harolda C. Urey'a z Chicago University (pomimo poważnych wątpliwości swojego promotora), opierając się na teorii Oparina, oraz podobnej J. B. S. Haldane'a, zaproponował następujący eksperyment:

W układzie dwóch sterylnych kolb dolna, wypełniona parującą wodą symulowała praocean, górna, zawierała mieszaninę: NH3, CH4, H2O i H2, miała odpowiadać składowi pierwotnej atmosfery. Mieszanina gazów była poddawana działaniu łuku elektrycznego, symulującemu wyładowania atmosferyczne. Po poddaniu analizie Miller uzyskał 13 aminokwasów (z dwudziestu występujących w białkach), pirymidyny i puryny oraz m.in. rybozę! – więcej, niż się spodziewano.

Oczywiście, natychmiast pojawiły się zarzuty kwestionujące rzetelność eksperymentu:

  • Pierwszy dotyczył składu praatmosfery. W doświadczeniu założono jej silnie redukujący charakter, co wielokrotnie było poddawane w wątpliwość. Nikt wprawdzie nie kwestionował braku, lub co najwyżej, śladowych ilości O2, uważano jednak – prawdopodobnie poprawnie – iż pierwotna atmosfera miała bardziej obojętny skład. Nie do końca zestalona skorupa ziemska musiała powodować bardzo silny wulkanizm, co skutkowało dużym stężeniem CO2 – być może właśnie ten obojętny gaz dominował w atmosferze pierwotnej Ziemi. Ponadto, trudne do określenia jest stężenie wolnego N2. Co jednak nie wyklucza znacznego stężenia metanu i amoniaku. Powtórzenia eksperymentu Millera w bardziej obojętnej atmosferze nie dawały już tak dobrych rezultatów, chociaż synteza nadal zachodziła.
  • Drugi zarzut dotyczył niestabilności powstałych związków. Te same czynniki, które umożliwiły syntezę – wyładowania elektryczne i promieniowanie UV – równie dobrze mogą doprowadzić do rozpadu powstałych związków. O ile pierwszy zarzut jest, być może, uzasadniony, o tyle ten świadczy tylko o ignorancji albo doktrynerstwie. Nie tak trudno wyobrazić sobie warunki , w których powstające cząsteczki znalazły się chociażby pod skałami, chroniącymi je przed promieniowaniem UV. Późniejsze badania wskazują na tzw. „teorię lagun”, oraz rolę pewnych substancji mineralnych w syntezie.

Ten powszechnie znany dzisiaj eksperyment wskazuje na możliwość spontanicznego powstawania „cegiełek życia”: aminokwasów, zasad azotowych, rybozy... ale, niestety, nic nie mówi o kolejnych niezbędnych i o wiele bardziej złożonych kolejnych etapach abiogenezy.


Teorie pozaziemskiego pochodzenia życia - panspermia

Szwedzki chemik Svante Arrhenius (1859-1927) wysunął hipotezę, że „zarodki życia”(?) przywędrowały na ziemię z kosmosu, za pośrednictwem meteorytu, komety lub niesione ciśnieniem promieniowania. Współcześnie zwolennicy tej hipotezy powołują się na zastrzeżenia do warunków, w jakich był przeprowadzany eksperyment Urey'a – Millera, wątpliwości, co do późniejszej syntezy polimerów, oraz względnie krótki czas od uformowania się Ziemi do pojawienia się pierwszych żywych komórek: pierwsze ślady życia są datowane na ~3,8 miliarda lat temu. Biorąc pod uwagę, że początki Ziemi sięgają zaledwie 4,5mld. lat, życie powstało zdumiewająco szybko. Także odkrycie w meteorytach (m.in. słynny meteoryt z Murchison) substancji organicznych, w tym aminokwasów, uracylu (pirymidyna) i ksantyny (puryna) – doprowadziły do odnowienia tej koncepcji. Do jej zwolenników zaliczał się m.in. Fred Hoyle (nota bene, również zwolennik stacjonarnego modelu Wszechświata), jak również współodkrywca struktury helisy DNA, Francis Crick. W wersji Hoyle'a „...spontaniczne pojawienie się życia jest równie nieprawdopodobne jak to, że huragan wiejący przez złomowisko złoży przypadkowo Boeinga 747...”

Z „argumentem prawdopodobieństwa” polemizowałem już w artykule „Błędne interpretacje teorii ewolucji”, wrócę do niego dalej w kontekście abiogenezy, w tym miejscu warto zwrócić uwagę na fakt, że wszelkie teorie panspermii nie odpowiadają na pytanie o powstanie życia, a jedynie je odsuwają: jeśli życie przywędrowało gdzieś z Kosmosu – czego całkowicie wykluczyć zresztą nie można – to jak TAM powstało?

Związki organiczne, m.in. te same, które otrzymał Miller, wielokrotnie były znajdowane w meteorytach i od dawna uważa się, że odegrały pewną rolę w początkowych etapach abiogenezy. Tyle, że aminokwasy do białek, a zasady azotowe do kwasów nukleinowych mają się tak, jak cegła do gotowego budynku...

 

Kolejną kwestią jest powstanie pierwszych polimerów. G. Cairns-Smith wykazał, że kryształy glinokrzemianów mogą pełnić funkcje katalizatorów ich syntezy. Tym niemniej, losowa sekwencja takich polimerów nic nie mówi na temat ich roli biologicznej. Rozwiązuje to jeden problem, tylko że znów powraca argument z rachunku prawdopodobieństwa! Stąd hipotezy o czysto białkowych początkach życia były od początku przyjmowane sceptycznie.

 

Kompletna teoria abiogenezy powinna opisywać następujące etapy:

  1. Powstanie pierwszych związków organicznych.
  2. Ewolucja chemiczna, w wyniku której z prostych związków powstają polimery.
  3. Samoorganizacja powstałych związków organicznych w replikujące się struktury.
  4. Ewolucja biologiczna prowadząca do dzisiejszego zróżnicowania życia.

 

Nie sposób omówić tu szczegółowo wszystkich hipotez, które można podzielić na dwie grupy: „najpierw – metabolizm”, albo: „najpierw – replikator”. Teorie Oparina, Haldane'a i Cairns-Smith'a niewątpliwie należą do pierwszej grupy. W prezentowanym artykule postawiona jest teza, że powstanie życia oznacza powstanie pierwszego replikatora – samopowielającej się cząsteczki.

 

Jajko czy kura?”

Obecnie jedyną samoreplikującą się cząsteczką jest DNA. Niestety – określenie „samoreplikująca” wobec DNA jest nie do końca adekwatne. Replikacja DNA jest złożonym procesem i wymaga całego kompleksu enzymów – a więc białek – kilka rodzajów polimeraz, gyrazy, ligazy, helikazy... A te białka, jak wszystkie pozostałe, są syntezowane na matrycy DNA! Rodzi się paradoks typu „jajko czy kura”: białko nie może powstać bez informacji, a nie ma odczytu informacji bez pomocy białek! Mogłoby się więc wydawać, że wpadliśmy w błędne koło.

Gdyby nie jedno odkrycie...

 

Świat RNA

Drugim rodzajem kwasu nukleinowego, jest, jak wiadomo, RNA. Współcześnie, we wszystkich komórkowych formach życia, pełni głównie funkcje pośredniczące i regulatorowe. Jednak u części wirusów to właśnie RNA tworzy zapis materiału genetycznego. Nic by to jeszcze nie wyjaśniało, gdyby nie odkryto, iż niektóre formy RNA również mogą pełnić rolę enzymów (T. Cech i S. Altman). Nazwano je rybozymami. Na tej podstawie szereg badaczy wysunęło hipotezę – którą obecnie można już nazwać teorią – „świata RNA” (m.in. Mayr 2001, Shopf 2002, Turner 2002, Steitz i Moore 2003, Orgel 2003). Według niej kierunek przepływu informacji genetycznej (DNA → RNA → białka) powstał w wyniku ewolucji wcześniejszych, znacznie prostszych układów opartych wyłącznie na RNA. Mamy tu bowiem cząsteczkę, która jest jednocześnie replikatorem, jak i katalizatorem, najprostszy mogący funkcjonować układ genetyczny.

 

Dowody świata RNA

Jak zwykle jednak, nic nie jest takie proste.

Pierwsze odkryte rybozymy przeprowadzały reakcje autokatalitycznego splicingu, co niewiele miało wspólnego z replikacją. Następnie, eksperyment Manfreda Eigena z replikazą Qβ, chociaż nie dowodził autoreplikacji (wymagał obecności białka), wskazywał, że molekuły RNA mogą podlegać mechanizmowi selekcji: replikowane cząsteczki RNA „walczą o byt”, co zawsze prowadzi do wyselekcjonowania najskuteczniejszego w danych warunkach replikatora. Na tej podstawie autor stworzył klasyczną już dziś hipotezę hipercykli katalitycznych.

Pośrednio hipotezę „świata RNA" potwierdza też fakt, że rybonukleotydy wchodzą w skład wielu istotnych związków współczesnych szlaków metabolicznych, jak ATP, GTP, NAD, FAD i CoA.

Ostatecznie L. E. Orgell dowiódł możliwości autoreplikacyjnych RNA.

Niedawno E. Di Mauro z Uniwersytetu Rzymskiego wykazał, w jaki sposób może dojść do samoistnej syntezy długich fragmentów RNA. Z powodu niestabilności wiązań, spontaniczna synteza dłuższych polinukleotydów wydawała się mało prawdopodobna. Eksperyment jednak wykazał, że w odpowiednich warunkach kilka wytworzonych osobno łańcuchów może się ze sobą łączyć, tworząc znacznie większą cząsteczkę – wystarczająco długą (ponad 100 nukleotydów), by przyjąć odpowiednią konformację przestrzenną umożliwiającą powstanie właściwości katalitycznych.

Z kolei T. Lincoln i G. Joyce z Instytutu Scrippsa przeprowadzili eksperyment z samoreplikującym się układem dwóch rybozymów. Kolejne pary takich enzymów replikujące się równolegle, funkcjonowały zgodnie z zasadami doboru, podlegając mutacjom i selekcji. (wkrótce publikacja w „Science”). Mamy więc ewidentny dowód ewolucji już na poziomie molekularnym, gdzie dyskusyjne jest, czy w ogóle można to już nazwać życiem...

Prezentowane układy są oczywiście zbyt skomplikowane, by mogły stanowić najpierwotniejsze replikatory. Być może również RNA jest zbyt złożoną molekułą, by mogła powstać samorzutnie w praoceanie. Hipotetycznie rolę najwcześniejszych replikatorów mogły pełnić takie cząsteczki, jak PNA (peptide nucleic acid), oparty na prostym, peptydowym szkielecie, (Orgel, 1998), lub oparty na triozie TNA. Obydwa wymienione polimery mogą zawierać informacje oparte o komplementarne pary zasad, ponadto dowiedziono, iż PNA może służyć jako matryca do syntezy RNA (Bohler, Nielsen, Orgel, 1995). Ten pierwotny replikator mógł następnie w wyniku selekcji zostać wyparty przez skuteczniejszy RNA, a potem przez stabilniejszy i tworzący dłuższe, a więc mogące zawierać więcej informacji, cząsteczki DNA. Natomiast rolę enzymów przejęły skuteczniejsze w tym zakresie białka.

Odrębną i późniejszą kwestią jest pochodzenie kodu genetycznego, co umożliwiło tworzenie białek, które okazały się skuteczniejszymi katalizatorami od rybozymów, choćby ze względu na większe bogactwo możliwych konfiguracji przestrzennych. Prawdopodobny jest mechanizm powstania kodu genetycznego, w którym aminokwasy pełniły dla rybozymów rolę analogiczną do koenzymów dla współczesnych enzymów białkowych (J. Maynard – Smith). Przemawia za tym fakt, że przestrzenna konformacja licznych rybozymów przypomina strukturę tRNA, ktorego dzisiejszą rolą jest wiązanie i przenoszenie aminokwasów. Możliwe też, że kod genetyczny powstawał wielokrotnie, a jego znana dziś uniwersalna forma po prostu okazała się najskuteczniejsza.

 

Życie schwytane w błony

Współczesne życie znamy niemal wyłącznie jako formy komórkowe. Jak to się więc stało, że pływające swobodnie w praoceanie, konkurujące co do skuteczności na zasadzie „każdy przeciw wszystkim” replikatory, zamknęły się w błonach tworząc pierwotne komórki? Oparin postulował, że pierwsze błony były zbudowane z polisacharydów, która to hipoteza jest nie do utrzymania choćby z powodu trudności w wyjaśnieniu, jak z błony polisacharydowej mogłaby wyewoluować współczesna lipidowo – białkowa.

Samo powstanie struktury przypominającej błonę komórkową nie jest niczym nadzwyczajnym. Współczesne błony zbudowane są z dwuwarstwy kilku rodzajów fosfolipidów, gęsto poprzetykanej białkami (tzw. model płynnej mozaiki). Taka struktura jest oczywiście zbyt złożona, by mogła utworzyć się spontanicznie w praoceanie, zwłaszcza jeśli wziąć pod uwagę, że prawdopodobnie białka (w dzisiejszym znaczeniu tego słowa) jeszcze nie istniały . Tym niemniej, wszelkie związki amfifilowe w wodnym środowisku mają tendencje do samorzutnego tworzenia struktur micelarnych, spośród których dwuwarstwa jest jedną z preferowanych form. Struktury takie nie wymagają zewnętrznej informacji, a ich powstawanie wynika wprost z praw termodynamiki. Należałoby, rzecz jasna, poszukać związków o takim charakterze o wiele prostszych w budowie niż fosfolipidy, które mogłyby występować w praoceanie. Taki charakter mają chociażby kwasy tłuszczowe, w tym kwas 5-metylo-nonanowy oraz PAH (policykliczne węglowodory aromatyczne), wyekstrahowane m.in. z meteorytu z Murchison, czy alkohol dodekanowy. Pęcherzyki uformowane z takich substancji mogą zamykać w swoim wnętrzu polimery, takie jak RNA.

 

Sztuczne życie?

Ostatecznym potwierdzeniem byłoby oczywiście wytworzenie sztucznego życia w laboratorium. Zaawansowane są prace prowadzone przez Craiga Ventera nad stworzeniem „genomu minimalnego”. Jego Mycoplasma laboratorium posiada sztuczny chromosom zawierający 381 genów, zsyntezowany na bazie genomu M. genitalium,po usunięciu informacji, które nie są bezwzględnie niezbędne dla funkcjonowania komórki. To niewątpliwe osiągnięcie niewiele jednak wnosi do zagadnienia abiogenezy, gdyż punktem wyjścia jest istniejący i funkcjonujący genom.

Duże znaczenie mogą natomiast mieć prace zespołu J. Szostaka z Harvardu. Tworzone tam układy zbudowane są z kwasów tłuszczowych, spontanicznie formujących pęcherzyki mogące przechowywać cząsteczki RNA. W odpowiednich warunkach podlegają replikacji, „zjadają” inne pęcherzyki, a także dzielą się. Badania Szostaka pokazują, że kwas nukleinowy może samoczynnie replikować się w takiej „protokomórce”. Okazało się też, że obecność montmorylonitu (pospolity minerał ilasty) znacznie przyspiesza tworzenie pęcherzyków, jak również replikację zamkniętego w nich RNA – tak więc hipoteza Cairns – Smitha o roli takich substancji w pewnym sensie się potwierdziła. Czy można takie układy nazwać już protokomórkami? Błona 5340c1c272fd902a2d451918a66ddaed.pngotaczająca materiał genetyczny i enzym zarazem. Jednocześnie jest to układ wystarczająco prosty, by mógł powstać samoistnie w warunkach pierwotnej Ziemi. Najprostsze współczesne komórki, a nawet mycoplasma Ventera z genomem minimalnym są o wiele za bardzo złożone. Stopień komplikacji pierwszych form życia musiał być na poziomie „protokomórek” Szostaka, co nie znaczy, że właśnie tak musiały wyglądać. Czy życie powstało w chwili zamknięcia replikatora w pęcherzyku z kwasów tłuszczowych? Aby układ można było nazwać żywym, musi on spełniać trzy kryteria: wzrostu, rozmnażania i ewolucji. „Protokomórki” niewątpliwie spełniają dwa pierwsze. Ostateczne wyniki zespołu nie zostały jeszcze opublikowane, przypuszczalnie jednak właśnie prowadzone są prace nad ich ewolucją. Fascynujące byłoby zobaczyć, czy geny zamknięte w tłuszczowych pęcherzykach będą w stanie stworzyć nową formę życia, rozwijającą się według darwinowskich zasad.

 

Czy, w przypadku powodzenia, mielibyśmy ostateczną odpowiedź? Z pewnością nie. Życie powstało około 4 miliardów lat temu, dlatego prawdopodobnie nigdy nie będziemy wiedzieli, jak ono powstało – a jedynie – jak mogło powstać. Jednego można być pewnym: życie mogło powstać wyłącznie dlatego, że powstawało etapami. Najpierw powstanie prostych związków organicznych, następnie polimeryzacja, powstanie pierwszych replikatorów – na tym etapie zaczyna działać selekcja, a więc także kumulacja drobnych zmian – i zamknięcie ich w „opakowaniu”: najprawdopodobniej pęcherzykach zbudowanych z substancji amfifilowych, prekursorach współczesnych błon biologicznych. Złożoność współczesnego życia wydawałaby czymś nieprawdopodobnym, gdyby nie fakt, że każdy z wymienionych etapów był czymś jak najbardziej prawdopodobnym, a może nawet koniecznym. Być może istnieje wiele alternatywnych scenariuszy abiogenezy, i pytanie, który z nich rzeczywiście zaszedł na naszej planecie zawsze pozostanie bez odpowiedzi.

Można jednak dowieść czegoś innego: że życie nie jest jakimś metafizycznym tworem, dla wyjaśnienia którego niezbędne jest odwoływanie się do arbitralnych sił nadprzyrodzonych, ale naturalnym, i dzięki temu o wiele wspanialszym i bardziej interesującym zjawiskiem, poddającym się metodom badań naukowych.

 

Artykuł jest bardzo dużym, lecz zamierzonym uproszczeniem!
W związku z tym przepraszam Czytelników zorientowanych w temacie.

Dla zainteresowanych – Linki związane z tematem:

  1. Jak.powstalo.zycie
  2. Jak.powstal.pierwszy.system.biochemiczny
  3. Pierwsze.blony.komorkowe
  4. Hipotetyczna rola autokatalitycznych właściwości kwasów nukleinowych w procesie biogenezy.
  5. The origin of life
  6. Biolodzy_stworza_nowe_zycie
  7. Tam, gdzie tworzy się życie
  8. MolekulaRNA zagadka rozwiązana
  9. Enzymy RNA moga samodzielnie sie replikowac.
  10. Chemical_replicators

 

Licencja: Creative Commons - użycie niekomercyjne