Gyvybės atsiradimas Žemėje

Kiekvienoje gyvoje, net primityviausioje ląstelėje knibžda molekulinių „įrenginių“, kurie skaito ir kopijuoja genetinę informaciją, stato ir taiso ląstelės membraną, gabena maisto medžiagas arba jas verčia energija,

Tyrinėtojai nustatė, kad RNR galėjo susidaryti iš cheminių junginių ankstyvuoju Žemės laikotarpiu; Kiti tyrimai parėmė hipotezę, kad į RNR turinčios ląstelės galėjo susitelkti spontaniškai, daugintis ir vystytis; Mokslininkai bando sukurti save reprodukuojančius organizmus laboratorijose.

perduoda mechaninius, cheminius ar elektrinius pranešimus – ir vardinti galima be galo.

Beveik neįmanoma įsivaizduoti, kaip prieš 3,7 mlrd. m. galėjo spontaniškai susikurti tokie „įtaisai“, kurie daugiausia yra proteinų pagrindu sudaryti katalizatoriai, kurie vadinami enzimais. Tačiau dar 6-me dešimtm. S.L. Miller ir H.C. Urey parodė, kad esant tinkamoms sąlygoms iš paprastesnių cheminių junginių gali susidaryti kai kurios amino rūgštys, proteinų sudedamosios dalys. Tačiau patys proteinai ir enzimai yra visai kitas reikalas.

Ląstelės proteinų gamybos procese enzimai iš DNR dvigubos spiralės skaito informaciją apie genus ir ją verčia galutiniu produktu. Susiduriame su paradoksu – gyvybės atsiradimui yra būtini proteinai, kad … gamintų proteinus. Tačiau paradoksas dingtų, jei pirmiesiems organizmams visai nereikėtų proteinų.Tyrimai rodo, kad spontaniškai gali susidaryti molekulės, panašios į DNR arba RNR. O kadangi jos gali susisukti įvairiomis formomis ir veikti kaip katalizatoriai, galėjo nutikti, kad jos ėmė kopijuoti save be proteinų pagalbos. Ankstyviausios gyvybės formos galėjo būti paprastos membranos, sudarytos iš riebalinių

Kas yra gyvybė? Fizikas E. Šriodingeris laikė, kad gyvų sistemų išskirtinė savybė yra savaiminis susitelkimas priešinantis gamtos polinkiui į entropiją; Chemiko G. Joyce NASA priimtas apibrėžimas yra „save palaikanti cheminė sistema įgalinti Darvino evoliucijos teoriją“; B. Korzeniewski „kibernetinis“ apibrėžimas, kad gyvybė yra tinklais su grįžtamojo ryšio mechanizmais.

rūgščių, kurios gaubė vandenį ir tas, save replikuojančias molekules. Palankios mutacijos, atsitiktinai pasitaikiusios replikavimo metu, skatino evoliuciją, leisdamos toms pirmapradėms ląstelėms prisitaikyti prie aplinkos, varžytis kitomis ir virsti mums pažįstamoms gyvybės formomis.

Viena sudėtingiausių paslapčių, susijusių su gyvybės atsiradimu – kaip iš paprastesnių molekulių susidarė genetinė informacija. Galima būtų spėti, kad RNR pasirodė anksčiau už DNR. Jos enzimų (vadinami ribozimais) vaidmuo irgi svarbus. Struktūros, transliuojančios RNR į proteinus, yra hibridinės RNR-proteinų mašinos, kuriose RNR atlieka katalizatoriaus darbą. Tad atrodo, kad kiekvienoje ląstelėje ribosomos saugo „fosilinį“ įrodymą apie pirmapradį RNR pasaulį.

Genetinės molekulės (kaip RNR ir DNR) yra polimerai (grandinės iš mažesniųjų molekulių) sudaryti iš nukleotidų. Šie, savo ruožtu, turi tris skirtingas komponentes: cukrų, fosfatą ir nukleopagrindą. Pastarieji yra 4 tipų ir sudaro abėcėlę, kurios pagalba polimeras koduoja informaciją. DNR molekulėje tai A, G, C ir T (atitinkantys adeniną, guaniną, cytosiną ir tyminą), o RNR molekulėje U (uracilas) pakeičia T.

Nukleopagrindai yra gausiai azoto turintys komponentai, vienas su kitu besijungiantys paprasta taisykle: A su U (arba T), G su C. Tokios jungtys sudaro DNR spiralės laiptelius ir toks poravimas užtikrina sėkmingą informacijos kopijavimą ir atgaminimą.

Nukleopagrindai gali susidaryti savaime, palaipsniui, iš cianido, acetileno ir vandens. Cukrus irgi lengvai susidaro iš paprastų cheminių junginių (pvz., šarminėje aplinkoje šildant formaldehidą, kurio buvo pirmykščiuose planetos vandenyse). Tik problema, - kaip gauti „teisingą“ cukraus atmainą, ribozę RNT atveju, tinkamą nukleotidams. Tačiau ribozė gali susidaryti dviejų paprastesnių cukrų reakcijos metu. Tai iki galo neišsprendžia problemos, kaip Žemėje galėjo susidaryti pakankamai ribozės, kuri, vienok, yra gana nestabili ir greitai suskyla net silpnai šarminėje aplinkoje. Tad anksčiau daugelis mokslininkų spėjo, kad pirmosiose genetinėse molekulėse nebuvo ribozės. Tačiau buvo aptikta, kaip ribozė gali tapti patvaria.

Alternatyvos „pirmiausia RNR“ hipotezei: Pirmiausia susidarė peptidų nuklidinė rūgštis, kurioje nukleopagrindas sujungtas su panašiu į proteiną pagrindu. Ji paprastesnė ir chemiškai stabilesnė už RNR. Gyvybė atsirado energiją apdorojančių katalizatorių tinklas (metabolizmas). Gyvybė užnešta iš kitur – panspermijos teorija.

Fosforas mena dar vieną mįslę – jo gausu žemės plutoje, tačiau jis daugiausia yra mineralų sudėtyje. Tačiau karštose vulkaninėse versmėse jis gali virsti tirpiais fosfatais, tačiau tai labai maži kiekiai. Kitas galimas fosforo šaltinis yra šreibersitas, mineralas, randamas daugiausia kai kuriuose meteorituose. 2005 m. M. Pasek ir D. Lauretta nustatė, kad vandenyje iš šreibersito išsilaisvina fosforas – ir be to labiau tirpus nei fosfatai ir labiau reaktyvus su įvairiais organiniais junginiais.

Toliau reikia, kad šios komponentės teisingai susijungtų. Šis klausimas kelis dešimtmečius nedavė ramybės. Neužtenka vien vandenyje sumaišyti sudedamąsias dalis. Reikalinga papildoma energija, pvz., pridedant daug energijos turinčių komponenčių. Jų galėjo būti pirmapradžiame vandenyje, tačiau laboratorijose tokios molekulės nebuvo efektyvios.

2009 m. pavasarį J. Sutherland su kolegomis pabandė elgtis kitaip – jie sumaišė pradines medžiagas (cianido, acetileno, formaldehido vedinius) kartu su fosfatais. Sudėtingų reakcijų metu susidarė nedidelė molekulė, vadinama 2-aminooksazole, kurią galima laikyti kaip cukraus fragmentą susijungusį su nukleopagrindo fragmentu. Jos esminė ypatybė yra tai, kad ji labai laki ir gali keliauti su vandens garais.

Kai jau turime nukleotidus, paskutinis etapas RNR susidaryme yra polimerizacija: cukraus iš vieno nukleotido jungiasi su fosfatu iš kito nukleotido – ir taip nukleotidai susidėlioja į grandinėlę. Ir vėl – vandenyje tie ryšiai nesusidaro spontaniškai ir tam reikia kokios nors papildomos energijos. Įmaišydami įvairių cheminių medžiagų, mokslininkai sugebėjo gauti kai kurias trumpas RNR grandinėles - iš 2-40 nukleotidų. Prieš 2000-uosius J. Ferris su kolegomis parodė, kad molio mineralai pagerina procesą ir leidžia ištįsti grandinėlėms iki 50 narių. Nedaug, prisimenant, kad įprastas genas turi nuo kelių tūkstančių iki milijonų grandžių. Vis tik tie atradimai sustiprino idėją, kad gyvybė galėjo atsirasti mineralų paviršiuje, galbūt, karštų šaltinių suformuotų telkinių dugne, kuriame gausu molingo dumblo.

Tačiau genetinių polimerų susidarymas dar neatsako į klausimą apie gyvybės atsiradimą. Kad būtų „gyvi“, organizmai privalo daugintis – o tai susiję su genetinės informacijos kopijavimu. Šiuolaikinėse ląstelėse tą funkciją atlieka proteinų pagrindu sudaryti enzimai. Bet genetiniai polimerai gali išsiraityti įvairiausiomis formomis ir katalizuoti chemines reakcijas, panašiai, kaip tai daro enzimai. Tad labai tikėtina, kad ankstyvuosiuose gyvuose organizmuose RNR replikavo save pačią. T. Lincoln ir G. Joyce sukūrė dvi RNR ribozimas, kurių kiekviena galėjo kopijuoti kitą sujungiant dvi trumpesnes RNR dalis. Deja, sėkmės tuose bandymuose užtikrinimui, reikia iš anksto egzistuojančių RNR fragmentų, kurių spontaninis susitelkimas užimtų daug laiko ir būtų sudėtinga tai pasiekti.

O kai jau suvokiame gyvybės atsiradimo chemiją, galime imtis žvelgti, kaip turi sąveikauti molekulės, kad susidarytų pirmosios proto-ląstelės. Dabartinių ląstelių membranos yra dviejų sluoksnių ir sudarytos iš lipidų, tokių riebalinių molekulių kaip fosfolipidai ir cholesterolis. Membranos apgaubia visas ląstelės komponentes ir sukuria užtvarą, pro kurią negali laisvai prasiskverbti stambios molekulės. „Gudrūs“ membranoje įsikūrę proteinai veikia tarsi durininkai, kurie perkelia molekules į ląstelės vidų arba pašalina iš jos. Kaip visa tai galėjo vykti primityvioje proto-ląstelėje?

Matyt, tada membranas sudarė paprastesnės molekulės, pvz., riebios rūgštys. 8-o dešimtm. pabaigos tyrimai parodė, kad membranos gali spontaniškai susiformuoti iš riebių rūgščių. Tai verčia manyti, kad pirma turėjo susiformuoti ląstelių metabolizmas, kad ląstelės galėtų sau sintetinti nukleotidus. Tačiau buvo nustatyta, kad molekulės, kurios yra tokio dydžio kaip nukleotidai, gali laisvai praeiti pro „primityvias“ membranas. Tad reikia spėti, kad ląstelės viduje tebuvo tik RNR, o nukleotidai prasiskverbdavo pro membraną ir būdavo panaudojami naujų grandžių prijungimui.

Tada ląstelės turi išmokti dalintis į dvi panašias „dukras“. Paskutinį 20 a. dešimtm. P. Luigi Luisi su kolegomis parodė, kad tokios proto-ląstelių membranos gali „augti“, kai jas supančiame vandenyje yra riebių rūgščių. Kiti tyrimai parodė, kad tokios proto-ląstelės gali tarpusavyje varžytis ir „vogti“ riebias rūgštis iš kitų. Be to membranos plėsdamosi neišlieka sferinėmis, o ima darytis pailgos, jos trūkčioja (tarsi pūstų vėjas) ir galiausia skyla, o tada viskas vėl kartojasi. Belieka, kad jos galėtų replikuotis – ir jau būtų „gyvos“. O kai jos ims vystytis (pamažu atsirandant metabolizmams), tai galės įdarbinti ir proteinus, kurie perimtų iš RNR genetinės informacijos kopijavimo funkciją.

Papildomai skaitykite:

1. R.M. Hazen, J. Henry. Genesis: The Scientific Quest for Life‘s Origins, 2005
2. The RNA World, ed. R.F. Gesteland et al., 2006
3. R. Shapiro. A Simpler Origin for Life// Sci.Am., vol.296, no.6, Jun.2007
4. P. Nielsen. A New Molecule of Life?// Sci.Am., vol.299, no.6, Dec.2008

Milžinai Žemėje
Gyvybės paieškos
Kadaise nebuvome vieni
Prasiplečia gyvybės ribos
Prieštaringi ankstyvieji žmonės
Lynn Margulis ir Gajos koncepcija
Kuo skiriasi žmogus ir gyvūnas?
Sibiras ir pirmieji amerikiečiai
Kitokia žmogaus tvėrimo interpretacija
Thomas Huxley – išgarsėjęs anglų savamokslis
Žvaigždžių sporos, Žvaigždžių vaikai
Alternatyvios žmogaus kilties teorijos
Panspermia: kosmoso užkratas
Naujausias kreacionizmo veidas
Ar kažkur Visatoje yra gyvybė?
Nojaus arka surasta?
4-ojo etapo evoliucija
Senasis mano kūnas
Jie tebegyvena!?
Didžioji pėda
Mąstymo aušra
Neandertalietis
Vartiklio naujienos