ПРЕБІОТИЧНА ЕВОЛЮЦІЯ: ДЕ ЦЕ СТАЛОСЯ І ЩО НЕОБХІДНО - БІОЛОГІЯ - 2025

Термін пребіотична еволюція відноситься до серії гіпотетичних сценаріїв, які прагнуть пояснити походження життя, починаючи з неживої речовини в навколишньому середовищі в примітивних умовах.

Висловлено припущення, що умови примітивної атмосфери сильно скорочувалися, що сприяло утворенню органічних молекул, таких як амінокислоти та пептиди, які є будівельними блоками білків; і пурини та піримідини, які складають нуклеїнові кислоти - ДНК та РНК.

Джерело: pixabay.com

Первісні умови

Уявлення про те, як на Землі виникли перші форми життя, може бути складним - і навіть майже неможливим - питанням, якщо ми не розмістимо себе в правильному примітивному середовищі.

Таким чином, запорукою розуміння життя з абіотичних молекул, суспендованих у знаменитому "примітивному супі", є атмосфера у цьому віддаленому середовищі.

Хоча не існує повної згоди щодо хімічного складу атмосфери, оскільки немає можливості її повністю підтвердити, гіпотези коливаються від відновлення композицій (CH ₄ + N ₂ , NH ₃ + H ₂ O або CO ₂ + H ₂ + N ₂ ) до більш нейтральних середовищ (лише CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Загальновизнано, що в атмосфері не вистачало кисню (цей елемент значно збільшував свою концентрацію з приходом життя). Для ефективного синтезу амінокислот, пуринів, піримідинів та цукрів необхідна наявність відновлення середовища.

У тому випадку, якщо фактична атмосфера в той час не мала цих перебіотичних хімічних умов, органічні сполуки повинні були надходити з частинок пилу або інших космічних тіл, таких як метеорити.

Де відбулася пребіотична еволюція?

Про фізичний простір на Землі існує кілька гіпотез, які дозволили розробити перші біомолекули та реплікатори.

Теорія, яка отримала значне значення після початкового утворення біомолекул у гідротермальних отворах в океані. Однак інші автори вважають малоймовірними і дискредитують ці регіони як важливі агенти синтезу пребіотиків.

Теорія пропонує, що хімічний синтез відбувався при проходженні води в межах градієнта від 350 ° С до 2 ° С.

Проблема з цією гіпотезою виникає через те, що органічні сполуки розкладаються при високій температурі (350 ° С), а не синтезуються, що говорить про менш екстремальних умовах. Тож гіпотеза втратила підтримку.

Що потрібно для пребіотичної еволюції?

Для проведення дослідження, пов'язаного з еволюцією пребіотиків, необхідно відповісти на низку питань, які дозволяють зрозуміти виникнення життя.

Ми повинні запитати себе, який тип каталітичного процесу сприяє походженню життя і звідки береться енергія, яка сприяла першим реакціям. Відповідаючи на ці запитання, ми можемо піти далі і запитати, чи були перші молекули, які з'явилися, мембрани, реплікатори чи метаболіти.

Зараз ми відповімо на кожне з цих питань, щоб зрозуміти можливе походження життя в пребіотичному середовищі.

Каталізатори

Життя, як ми його знаємо сьогодні, потребує розвитку ряду "помірних умов". Ми знаємо, що більшість органічних істот існують там, де температура, вологість і рН є фізіологічно прийнятними - за винятком екстремофільних організмів, які, як випливає з назви, живуть в екстремальних умовах.

Однією з найбільш релевантних характеристик живих систем є всюдисутність каталізаторів. Хімічні реакції живих істот каталізуються ферментами: складними молекулами білкової природи, які збільшують швидкість реакцій на кілька порядків.

Перші живі істоти, мабуть, мали подібну систему, ймовірно, рибозими. У літературі є відкрите питання, чи може еволюція пребіотиків протікати без каталізу.

Згідно з доказами, відсутність каталізатора біологічна еволюція була б малоймовірною - оскільки реакції потребували монументальних часових інтервалів. Тому їх існування постулюється на ранніх етапах життя.

Енергія

Енергія для синтезу пребіотиків повинна була з'явитися звідкись. Запропоновано, що певні неорганічні молекули, такі як поліфосфати та тіостери, могли відігравати важливу роль у виробництві енергії для реакцій - у часи до існування відомої енергетичної «валюти» клітин: АТФ.

Енергетично реплікація молекул, які несуть генетичну інформацію, є дуже дорогою подією. Для середньої бактерії, наприклад, кишкової палички, для однієї події реплікації потрібно 1,7 * 10 ¹⁰ молекул АТФ.

Завдяки існуванню цієї надзвичайно високої цифри, наявність джерела енергії є безперечною умовою створення вірогідного сценарію, в якому зародилося життя.

Так само існування реакцій «окислювально-відновного типу» могло сприяти абіотичному синтезу. З часом ця система може стати важливими елементами транспорту електронів у клітині, пов'язаних з виробництвом енергії.

Який із клітинних компонентів виник першим?

У клітині є три основні компоненти: мембрана, яка розмежовує клітинний простір і перетворює його на дискретний блок; реплікатори, які зберігають інформацію; і метаболічні реакції, що відбуваються всередині цієї системи. Функціональна інтеграція цих трьох компонентів породжує клітину.

Тому, у світлі еволюції, цікаво задати питання, хто з трьох виник першим.

Синтез мембран здається простим, оскільки ліпіди мимовільно утворюють везикулярні структури, здатні рости і ділитися. Везикул дозволяє зберігати реплікатори і утримує метаболіти концентрованими.

Тепер дискусія зосереджена на лідерстві реплікації проти метаболізму. Ті, хто надає більшої ваги реплікації, стверджують, що рибозими (РНК з каталітичною силою) змогли повторитись, і завдяки появі мутацій може виникнути нова метаболічна система.

Протилежний погляд підкреслює важливість створення простих молекул - таких як органічні кислоти, присутні в циклі трикарбонової кислоти - для горіння при помірних джерелах тепла. З цієї точки зору, перші кроки еволюції пребіотиків включали ці метаболіти.

Список літератури

1. Anderson, PW (1983). Запропонована модель пребіотичної еволюції: використання хаосу. Праці Національної академії наук, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Багаторівневий вибір у моделях ебіології пребіотиків: відсіки та просторова самоорганізація. Витоки життя та еволюція біосфери, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Походження та рання еволюція життя: пребіотична хімія, світ перед РНК та час. Клітка, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Від пребіотиків до пробіотиків: еволюція та функції модифікацій тРНК. Життя, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Пакетні моделі та інформаційний криза еволюції пребіотиків. Журнал теоретичної біології, 252 (2), 326-337.
6. Вонг, JTF (2009). Пребіотична еволюція та астробіологія. CRC Press.