Hayotning molekulyar kelib chiqishi: birinchi bo'lib nima hosil bo'lgan - oqsil, DNK yoki RNK yoki ularning birikmasi?

Stenli Miller va Garold Urey 1959 yilda ibtidoiy er sharoitida aminokislotalarning laboratoriya sintezi haqida xabar berganlaridan so'ng, "Hayotning kelib chiqishi haqidagi bir nechta savollarga javob berildi, ammo hali ko'p o'rganilishi kerak". Ko'pgina yutuqlarga qaramay, olimlar uzoq vaqtdan beri asosiy savol bilan kurashmoqda - ibtidoiy er yuzida qaysi genetik material birinchi bo'lib paydo bo'lgan? DNK or RNK, yoki ikkalasidan bir ozmi? Hozir buni tasdiqlovchi dalillar mavjud DNK va RNK ikkalasi ham ibtidoiy sho'rvada birga mavjud bo'lgan bo'lishi mumkin, u erdan hayot shakllari tegishli genetik materiallar bilan rivojlangan bo'lishi mumkin.

Molekulyar biologiyaning markaziy dogmasi shunday deydi DNK tovar RNK tovar oqsillar. Proteinlar organizmda sodir bo'ladigan barcha reaktsiyalar bo'lmasa ham, ko'pchilik uchun javobgardir. Organizmning butun faoliyati ko'p jihatdan ularning mavjudligi va o'zaro ta'siriga bog'liq oqsil molekulalar. Markaziy dogmaga ko'ra, oqsillar tarkibidagi ma'lumotlar asosida ishlab chiqariladi DNK funksionalga aylantiriladi oqsil RNK deb nomlangan messenjer orqali. Biroq, bu mumkin oqsillar o'zlari hech kimsiz mustaqil yashashlari mumkin DNK or RNK, prionlarda bo'lgani kabi (noto'g'ri katlanmış oqsil o'z ichiga olmaydi molekulalar DNK or RNK), lekin o'z-o'zidan omon qolishi mumkin.

Shunday qilib, hayotning kelib chiqishi uchun uchta stsenariy bo'lishi mumkin.

A) Agar oqsillar yoki uning qurilish bloklari ibtidoiy sho'rvada milliardlab yillar oldin mavjud bo'lgan atmosferada abiotik tarzda shakllana olgan, oqsillar asosi deb atash mumkin hayotning kelib chiqishi. Uning foydasiga eksperimental dalillar Stenli Millerning mashhur tajribasidan kelib chiqadi^{1, 2}, bu metan, ammiak, suv va vodorod aralashmasi aralashtirilganda va elektr razryaddan o'tganda, aminokislotalar aralashmasi hosil bo'lishini ko'rsatdi. Bu etti yildan keyin yana tasdiqlandi³ 1959 yilda Stenli Miller va Garold Urey tomonidan ibtidoiy er yuzida qisqaruvchi atmosferaning mavjudligi sintezga sabab bo'lganligini ta'kidladilar. organik yuqorida aytib o'tilgan gazlar va kamroq miqdordagi karbon monoksit va karbonat angidrid ishtirokidagi birikmalar. Miller-Urey tajribalarining dolzarbligi bir necha yillar davomida ilmiy birodarlik tomonidan shubha ostiga olindi, ular o'zlarining tadqiqotlarida ishlatiladigan gaz aralashmasi ibtidoiy Yerda mavjud bo'lgan sharoitlarga nisbatan juda kamaygan deb o'ylashgan. Bir qator nazariyalar N2 va suv bug'lari bilan ortiqcha CO2 ni o'z ichiga olgan neytral atmosferaga ishora qildi.⁴. Shu bilan birga, neytral atmosfera aminokislotalar sintezi uchun maqbul muhit sifatida ham aniqlangan⁵. Bundan tashqari, uchun oqsillar hayotning kelib chiqishi sifatida harakat qilish uchun ular o'z-o'zini takrorlashlari va turli xil kombinatsiyalarga olib kelishi kerak oqsillar organizmda sodir bo'ladigan turli reaktsiyalarni qondirish.

B) Agar ibtidoiy sho'rva qurilish bloklari uchun shart-sharoitlarni ta'minlagan bo'lsa DNK Va / yoki RNK shakllangan bo'lsa, ularning har biri genetik material bo'lishi mumkin edi. Hozirgacha tadqiqot ma'qul keldi RNK Hayot shakllarining paydo bo'lishi uchun genetik material bo'lib, ularning o'z-o'zidan buklanish qobiliyati, bir ip sifatida mavjud va ferment sifatida ishlaydi.⁶, ko'proq ishlab chiqarishga qodir RNK molekulalar. Bir qator o'z-o'zini replikatsiya qiluvchi RNK fermentlari⁷ yillar davomida kashf etilganligini bildiradi RNK boshlang'ich genetik material bo'lishi kerak. Bu Jon Sazerlend guruhi tomonidan olib borilgan tadqiqotlar natijasida yanada mustahkamlandi, bu aralashmaga fosfatni kiritish orqali ibtidoiy sho'rvaga o'xshash muhitda RNKning ikkita asosini shakllantirishga olib keldi.⁸. RNK qurilish bloklarining shakllanishi Miller-Urey tajribasida ishlatilganiga o'xshash qaytaruvchi atmosferani (tarkibida ammiak, uglerod oksidi va suv bo'lgan) taqlid qilish va keyin ular orqali elektr razryadlari va yuqori quvvatli lazerlarni o'tkazish orqali ham ko'rsatilgan.⁹. Agar RNKning asoschisi ekanligiga ishonish kerak bo'lsa, unda qachon va qanday paydo bo'lgan DNK va oqsillar paydo bo'ladimi? qildim DNK RNKning beqaror tabiati tufayli keyinchalik genetik material sifatida rivojlanadi va oqsillar unga ergashgan. Bu savollarning barchasiga javoblar hali ham javobsiz qolmoqda.

C) DNK va RNK birgalikda mavjud bo'lishi mumkin bo'lgan hayotning paydo bo'lishiga olib kelgan ibtidoiy sho'rvaning uchinchi stsenariysi 3-da chop etilgan tadqiqotlardan kelib chiqqan.^rd 2020 yil iyun oyida Kembrijdagi MRC laboratoriyasidan Jon Sazerlend guruhi tomonidan, Buyuk Britaniya. Tadqiqotchilar laboratoriyada sayoz suv havzalari bilan milliardlab yillar oldin ibtidoiy Yerda mavjud bo'lgan sharoitlarni simulyatsiya qilishdi. Ular birinchi navbatda hosil bo'lgan kimyoviy moddalarni eritdilar RNK suvda, so'ngra ularni quritish va isitish, so'ngra ularni ibtidoiy vaqtda mavjud bo'lgan quyosh nurlarini taqlid qiluvchi UV nurlanishiga ta'sir qilish. Bu nafaqat ikkita qurilish blokining sinteziga olib keldi RNK balki dan DNK, bu ikkala nuklein kislotalar hayotning paydo bo'lishi vaqtida birga mavjud bo'lganligini ko'rsatadi¹⁰.

Bugungi kunda mavjud bo'lgan va molekulyar biologiyaning markaziy aqidasiga asoslangan zamonaviy bilimlarga asoslanib, hayotning paydo bo'lishiga va oqsil shakllanishiga olib kelgan DNK va RNK birgalikda mavjud bo'lgan/keyinchalik paydo bo'lgan deb taxmin qilish mumkin.

Biroq, muallif barcha uchta muhim biologik makromolekulalar, ya'ni, boshqa stsenariyni taxmin qilishni xohlaydi. Dastlabki sho'rvada DNK, RNK va oqsil birga mavjud edi. Er yuzasining kimyoviy tabiati, vulqon otilishi va suv bilan birga ammiak, metan, karbon monoksit, karbonat angidrid kabi gazlarning mavjudligi bilan bog'liq ibtidoiy sho'rvada mavjud bo'lgan tartibsiz sharoitlar barcha makromolekulalar hosil bo'lishi uchun ideal bo'lgan bo'lishi mumkin. Ferus va boshqalar tomonidan olib borilgan tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, nukleobazalar bir xil qaytaruvchi atmosferada hosil bo'lgan.⁹ Miller-Urey tajribasida ishlatilgan. Agar bu gipotezaga ishonadigan bo'lsak, evolyutsiya jarayonida turli organizmlar u yoki bu genetik materialni o'zlashtirdilar, bu esa ularning mavjudligiga yordam berdi.

Biroq, biz hayot shakllarining kelib chiqishini tushunishga harakat qilar ekanmiz, hayot qanday paydo bo'lganligi va tarqalishi haqidagi fundamental va o'rinli savollarga javob berish uchun qo'shimcha tadqiqotlar talab etiladi. Buning uchun ilm-fanda amal qilayotgan aqidalar tomonidan tafakkurimizga kiritilgan har qanday noto'g'ri qarashlarga tayanmasdan, "qutidan tashqari" yondashuv kerak bo'ladi.

***

Manbalar:

1. Miller S., 1953. Mumkin bo'lgan ibtidoiy Yer sharoitida aminokislotalarni ishlab chiqarish. Fan. 15 yil 1953 may: jild. 117, 3046-son, 528-529-betlar DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528

2. Bada JL, Lazcano A. va boshqalar 2003. Prebiyotik sho'rva - Miller tajribasini qayta ko'rib chiqish. Fan 02 may 2003 yil: jild. 300, 5620-son, 745-746-betlar DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145

3. Miller SL va Urey HC, 1959. Ibtidoiy Yerda organik birikmalar sintezi. Fan 31 iyul 1959 yil: jild. 130-son, 3370-son, 245-251-betlar. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245

4. Kasting JF, Xovard MT. 2006. Erta atmosfera tarkibi va iqlimi. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361: 1733–1741 (2006). Nashr qilingan: 07 sentyabr 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902

5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Neytral sayyora atmosferasida prebiyotik organik sintezni qayta baholash. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3

6. Zaug, AJ, Chex TR. 1986. Interventsiya ketma-ketligi RNK Tetrahymena fermenti hisoblanadi. Fan 31 yanvar 1986 yil: jild. 231, 4737-son, 470-475-betlar DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911

7. Wochner A, Attwater J, va boshqalar 2011. Faol ribozimning ribozim-katalizlangan transkripsiyasi. Fan 08 aprel: jild. 332, 6026-son, 209-212-betlar (2011-yil). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752

8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Prebiyotik jihatdan maqbul sharoitlarda faollashtirilgan pirimidin ribonukleotidlarining sintezi. Tabiat 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013

9. Ferus M, Pietrucci F, va boshqalar 2017. Miller-Urey kamaytiruvchi atmosferada nukleobazlarning shakllanishi. PNAS 25 yil 2017 aprel 114 (17) 4306-4311; birinchi marta 10 yil 2017 aprelda nashr etilgan. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114

10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. va boshqalar. 2020 RNK pirimidinning selektiv prebiyotik shakllanishi va DNK purin nukleozidlari. Tabiat 582, 60–66 (2020). Nashr qilingan sana: 03 iyun 2020 yil. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

***