Εμφάνιση της ζωής σε μια μικρή λιμνούλα. Η τελευταία επιβεβαίωση της θεωρίας του Δαρβίνου Του Vladislav Strekopytov

 Εμφάνιση της ζωής σε μια μικρή λιμνούλα. Η τελευταία επιβεβαίωση της θεωρίας του Δαρβίνου

Του Vladislav Strekopytov

Οι χημικοί στο εργαστήριο έλαβαν δομές από μη βιολογικές ουσίες που μπορούν να τρέφονται και να πολλαπλασιάζονται μόνες τους. Και οι φυσικοί απέδειξαν ότι τα πρώτα κύτταρα που προέκυψαν με αυτόν τον τρόπο, πιθανότατα εμφανίστηκαν σε δεξαμενές περιοδικής ξήρανσης. Έτσι, επιβεβαιώθηκε η θεωρία του Καρόλου Δαρβίνου για την αυθόρμητη δημιουργία ζωής σε μια μικρή λίμνη.

Στοιχειώδη κύτταρα της ζωής

Όλοι οι οργανισμοί στη Γη αποτελούνται από κύτταρα - τα στοιχειώδη κύτταρα της ζωής. Οι κύριες λειτουργίες που διακρίνουν το ζωντανό από το μη ζωντανό - μεταβολισμός, ανάπτυξη, αντιδράσεις σε ερεθίσματα, προσαρμογή, αναπαραγωγή και μετάδοση γενετικών πληροφοριών - πραγματοποιούνται λόγω των φυσικών και χημικών διεργασιών που συμβαίνουν στα κύτταρα.

Αλλά για να λειτουργήσουν όλα αυτά, έπρεπε να εμφανιστεί το ίδιο το κύτταρο. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, προηγήθηκε η συσσώρευση οργανικών ουσιών στο περιβάλλον και η εμφάνιση στη διαδικασία της σύνθεσής τους προβιοτικών μορφών - πρωτοκυττάρων, που έγιναν ο σύνδεσμος μεταξύ ζωντανής και μη ζωντανής ύλης.

Δεν υπάρχουν ίχνη τους στο γεωλογικό αρχείο. Τουλάχιστον επειδή βράχοι ηλικίας τριάμισι έως τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια δεν έχουν διατηρηθεί. Δηλαδή, εκείνη την περίοδο που γεννήθηκε η ζωή στη Γη.

Τα πρωτοκύτταρα έπρεπε να περιέχουν τουλάχιστον δύο βασικά στοιχεία: ένα μόριο ικανό να αυτοαναπαραχθεί με κληρονομικές πληροφορίες και ένα κέλυφος που το προστατεύει από το περιβάλλον. Η γενετική δομή των πρωτοκυττάρων ήταν πολύ πρωτόγονη - οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μέχρι ένα ορισμένο σημείο τρέφονταν και πολλαπλασιάζονταν μόνο χωρίς να αλλάζουν με κανέναν τρόπο.

Το 2011, βιολόγοι από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο  δημιούργησαν συνθετικά ανάλογα πρωτοκυττάρων στο εργαστήριο από ένα σύνολο οργανικών ουσιών. Ως αποτέλεσμα της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR), ήταν δυνατό να επιτευχθεί η πλήρης αυθόρμητη διαίρεση τους - παρόμοια με αυτό που συμβαίνει σε φυσικές συνθήκες.

Οι νεοσύστατες κυτταρικές δομές που προέκυψαν κατά τη διαίρεση ήταν εντελώς πανομοιότυπες με τις πρωτεύουσες: μαζί με τη μεμβράνη, κληρονόμησαν από τα μητρικά «κύτταρα» ολόκληρο το σύνολο γονιδίων που καθορίζουν τις λειτουργίες τους. Τέτοιοι «οργανισμοί» δεν μπορούν ακόμη να ονομαστούν ζωντανοί, γιατί δεν έχουν εξελικτικό συστατικό. Αλλά μοιάζουν πολύ με τις απλούστερες μορφές που εμφανίστηκαν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Για να προετοιμάσουν το πρωτεύον υπόστρωμα των πρωτοκυτταρικών δομών, ή, επιστημονικά, να συνενώσουν, οι συγγραφείς πήραν δεκάδες οργανικά συστατικά, η αναλογία των οποίων υπολογίστηκε προηγουμένως σε έναν υπολογιστή. Έχοντας συνδυαστεί, αυτές οι ουσίες σχημάτισαν συσσωρευμένα κυστίδια στο υπόστρωμα με κατιονικό κέλυφος και στοιχεία DNA μέσα.

Παρά την πρωτοποριακή φύση της μελέτης, τα αποτελέσματά της δεν αποδεικνύουν τη δυνατότητα της αβιογένεσης - την προέλευση των έμβιων όντων από τα μη ζωντανά. Γεγονός είναι ότι τα ένζυμα, τα πεπτίδια και τα νουκλεϊκά οξέα που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες ως συστατικά ήταν βιολογικής προέλευσης -δηλαδή σχηματίστηκαν από ζωντανούς οργανισμούς.

Το DNA δεν είναι ικανό αυτο-αντιγραφής χωρίς τη συμμετοχή ορισμένων ενζύμων - ειδικών πρωτεϊνών που καταλύουν όλα τα στάδια της αντιγραφής του. Ιάπωνες επιστήμονες κατάφεραν να το δημιουργήσουν στο εργαστήριο, αλλά, πάλι, χρησιμοποιώντας βιολογικά συστατικά.

 Υλικό για τα πρώτα κύτταρα

Σε μια νέα μελέτη , επιστήμονες από το Ινστιτούτο Επιστημών Γης και Ζωής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο, σε συνεργασία με συναδέλφους από τη Μαλαισία , την Τσεχική Δημοκρατία, τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ινδία, ξεκίνησαν να βρουν πιθανούς μηχανισμούς για το σχηματισμό του πρώτου κύτταρου από το μηδέν - μόνο μέσω χημικών διεργασιών, χωρίς τη συμμετοχή της βιολογίας.

Μελέτησαν ένα ευρύ φάσμα ενώσεων που θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί ως αποτέλεσμα προβιοτικών αντιδράσεων στις συνθήκες της πρώιμης Γης.

Και διαπίστωσαν ότι πολλές από αυτές τις ουσίες - εστέρες, αμίνες, αζίδια, ιμίδια και άλλες - υπό ορισμένες συνθήκες πολυμερίζονται πιο εύκολα από τις βιολογικές ενώσεις. Και μερικοί μάλιστα δημιουργούν αυθόρμητα δομές που μοιάζουν με κύτταρα που ονομάζονται διαμερίσματα. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, οι πολυμερείς αλυσίδες μέσα σε τέτοια διαμερίσματα, συστρέφοντας, θα μπορούσαν να σχηματίσουν μοναδικές τρισδιάστατες μορφές - πρωτότυπα πρωτεϊνών ή RNA.

© Jim Cleaves, ELSI

Τα διαμερίσματα είναι αυτοοργανωμένα μακρομοριακά συσσωματώματα σε ένα αποξηραμένο πολυμερές γλυκίνης και γλυκολικού οξέος.

Όπως γνωρίζετε, οι πρωτεΐνες, οι οποίες είναι εύκαμπτες αλυσίδες πολυμερισμένων αμινοξέων, παίζουν τον ρόλο καταλυτών για χημικές αντιδράσεις στα κύτταρα. Στους ζωντανούς οργανισμούς, συντίθενται χρησιμοποιώντας τον παγκόσμιο κώδικα που είναι ενσωματωμένος στο RNA. Πώς και πότε εμφανίστηκε, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη. Όμως τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι πολλά πολυμερισμένα μόρια μπορούν να σχηματίσουν παρόμοιες αλυσίδες και παρόμοιες καταλυτικές μορφές.

© Paul Adamski et al. / Nature Reviews Chemistry, 2020

Ένα παράδειγμα αυτοαναπαραγόμενου κύκλου πολυμερισμού για μη βιολογικές χημικές ουσίες

Για την απόκτηση πολυμερών αλυσίδων στο εργαστήριο, οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν μια περιοδική αλλαγή ξηρών και υγρών συνθηκών. Όταν το αραιό διάλυμα εξατμίστηκε, κατά κανόνα, άρχισε η διαδικασία πολυμερισμού, αλλά δεν άντεξαν όλα τα πολυμερή που προέκυψαν στο στέγνωμα. Κάποια διαλύθηκαν. Και άλλα, όταν πρόσθεταν νερό, συνέχισαν τον αυτοαναπαραγωγικό κύκλο της σύνθεσης. Σε αυτό, οι συγγραφείς βλέπουν την πιο πρώιμη, ακόμη και σε μοριακό επίπεδο, μια εκδήλωση εξελικτικής επιλογής, η οποία αργότερα έγινε αναπόσπαστο χαρακτηριστικό όλων των ζωντανών οργανισμών.

Εξετάζοντας τέτοια «εξελικτικά ισχυρά» πολυμερή κάτω από ένα μικροσκόπιο, οι ερευνητές διαπίστωσαν έκπληκτοι ότι ορισμένα είχαν σχηματίσει διαμερίσματα μεγέθους κλουβιού που περιείχαν δέκα έως είκοσι άτομα. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, με την πάροδο του χρόνου, αυτά τα κυτταρικά συσσωματώματα, μετά από μακροχρόνιους χημικούς μετασχηματισμούς, θα μπορούσαν να γίνουν πλήρως κύτταρα - αυτοοργανωμένες δομές που αποτελούνται ήδη από εκατομμύρια άτομα.

© Kuhan Chandru

Στάδια εμφάνισης των πρώτων κυτταρικών δομών από μη βιολογικές ουσίες υπό τις συνθήκες της πρώιμης Γης: 1 - η περιοδική αλλαγή των ξηρών και υγρών συνθηκών σε μια ρηχή δεξαμενή δημιούργησε ένα περιβάλλον για τον πολυμερισμό χημικών ουσιών. 2 - σε κάθε στάδιο ξήρανσης στο υπόστρωμα, σχηματίστηκαν συστάδες πολυμερών - διαμερίσματα. 3 - η επακόλουθη αυθόρμητη διαίρεση και αυτοσυναρμολόγηση των διαμερισμάτων οδήγησε στην εμφάνιση πρωτοκυττάρων

Η αστάθεια είναι προϋπόθεση για τη ζωή

Το γεγονός ότι η κυκλική εναλλαγή υγρών και ξηρών περιόδων συμβάλλει στην εμφάνιση σύνθετων προβιοτικών ενώσεων στο χημικό σύστημα επιβεβαιώνεται και από τους φυσικούς.

Αμερικανοί επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια , μαζί με συναδέλφους από τη Σχολή Μοριακής Μηχανικής Pritzker στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, μελέτησαν στο APS synchrotron στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ , ποιες αλλαγές φάσης υφίστανται τα πολυμερή διαμερίσματα κατά την ενυδάτωση- κύκλους αφυδάτωσης.

Οι συγγραφείς μελέτησαν συσσωρευτές πολυηλεκτρολύτη σε υγρό μέσο που έχει την ίδια σύνθεση με το νερό της λίμνης. Προσομοίωσαν τις συνθήκες όταν η «λίμνη» στεγνώνει και μετά γεμίζει ξανά με βρόχινο νερό. Και ανακάλυψαν: στην πρώτη περίπτωση, η συγκέντρωση νουκλεϊκών οξέων και αλάτων αυξάνεται, στη δεύτερη, μειώνεται. Μέσα στα διαμερίσματα του πολυμερούς, ωστόσο, δεν αλλάζει.

Αυτό δείχνει ότι στις πρωτογενείς κυτταροειδείς δομές, το περιβάλλον ήταν σταθερό, γεγονός που συνέβαλε στη διατήρηση των κύκλων των χημικών αντιδράσεων. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτός ήταν ένας βασικός παράγοντας για τον σταδιακό σχηματισμό πολύπλοκων αυτοαναπαραγόμενων πολυμερών ενώσεων, όπως το RNA, μέσα στα πρωτοκύτταρα.

Σήμερα, οι χημικοί γνωρίζουν ότι στη φύση, οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι ενυδάτωσης-αφυδάτωσης διευκολύνουν τη συναρμολόγηση μοριακών δομικών στοιχείων - αμινοξέων και νουκλεοτιδίων - σε πεπτίδια και πρωτεΐνες μειώνοντας το θερμοδυναμικό φράγμα που συνήθως αποτρέπει τον πολυμερισμό. Παραδείγματα τέτοιων φυσικών συστημάτων είναι τα ρηχά υδάτινα σώματα σε περιοχές όπου οι βροχές αντικαθίστανται περιοδικά από ξηρασίες ή οι επεισοδιακές ιαματικές πηγές όπως οι θερμοπίδακες.

Αλλά προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η πρώτη ιδέα για την προέλευση της ζωής σε μια «ρηχή λιμνούλα που θερμαίνεται από τον ήλιο» εκφράστηκε από τον Κάρολο Δαρβίνο στα μέσα του 19ου αιώνα.

© Paul Adamski et al. / Nature Reviews Chemistry, 2020

Τρία συστατικά και απαραίτητες προϋποθέσεις για την προέλευση της ζωής

ΠΗΓΗ: RIA Novosti