Misteri kehidupan asal akan segera diselesaikan? • Alexander Markov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Sains Hayat, Sains Bumi, Evolusi

Misteri kehidupan asal akan segera diselesaikan?

Dalam surat kepada rakannya, Joseph Hooker (Joseph Dalton Hooker), Darwin dengan hati-hati mencadangkan bahawa kehidupan boleh berasal dari benda mati dalam "kolam hangat kecil". Mungkin juga dia betul kali ini juga. Rajah. Katharine Sutliff dari artikel Karl Zimmer dalam perbincanganSains

Setengah abad yang lalu, pantulan tentang asal usul hidup dianggap sebagai nasib "saintis tua yang mampu duduk di kerusi dan bercakap." Hari ini, kajian eksperimen masalah ini melibatkan beratus-ratus pasukan penyelidikan. Pencapaian mereka yang mengagumkan membolehkan kita berharap bahawa hari ini tidak jauh apabila semua peringkat perjalanan yang panjang dan sukar dari perkara yang tidak bernyawa kepada organisme hidup paling mudah dapat diterbitkan semula di makmal.

Majalah Sains Beliau memulakan penerbitan beberapa siri esei pada ulang tahun ke 200 Charles Darwin dan ulang tahun ke-150 penerbitan karya utamanya, The Origin of Species. Esei pertama, yang ditulis oleh ahli sains popularizer Amerika yang terkenal, Carl Zimmer (Carl Zimmer), menceritakan masalah asal usul kehidupan – subjek yang mana Darwin sendiri menulis hampir tidak ada, kerana dia tidak mempunyai data yang diperlukan. Walaupun, tentu saja, masalah ini tidak dapat membantu tetapi bimbang dia.

Dari teori Darwin ia diikuti bahawa kesamaan dalam struktur organisma dalam banyak kes dijelaskan oleh asalnya dari nenek moyang yang sama. Tetapi untuk kesimpulan satu asal jumlahnya hidup pada zaman Darwin tidak cukup data. Ia agak mudah untuk membuktikan kehadiran nenek moyang yang sama, seekor merpati liar, dalam semua baka burung merpati domestik; ia lebih sukar untuk membuat kesimpulan yang sama mengenai keseluruhan kelas burung; Nah, untuk merumuskan asal umum yang jauh dari setiap kumpulan organisma, seperti haiwan dan tumbuh-tumbuhan, pada masa-masa itu perlu mempunyai keberanian saintifik yang besar. Walau bagaimanapun, Darwin bercadang untuk mengambil langkah ini. Di bahagian akhir "Asal-usul Spesies" dia menyatakan bahawa "… berdasarkan prinsip pemilihan semulajadi, disertai dengan perbezaan aksara, nampaknya kedua-dua haiwan dan tumbuh-tumbuhan dapat berkembang dari beberapa bentuk yang sama seperti tahap rendah dan perantaraan; dan jika kita membenarkannya, kita mesti mengakui bahawa semua makhluk organik yang pernah hidup di bumi boleh datang dari satu bentuk primitif". (C. Darwin, "Asal-usul Spesies …", bab 15).

Idea Darwin mengenai kekeluargaan semua kehidupan bergantung pada fakta yang diketahui pada masa itu ("… semua makhluk hidup mempunyai banyak persamaan dalam komposisi kimia mereka, dalam struktur selular mereka, dalam undang-undang pertumbuhan mereka dan dalam kepekaan mereka terhadap pengaruh yang berbahaya … ", Ibid.) Walau bagaimanapun, keraguan terakhir tentang ketepatan dugaan Darwin hilang hanya pada separuh kedua abad ke-20, apabila didapati bahawa semua makhluk hidup mempunyai alat keturunan yang sama dan kod genetik. Hari ini, beberapa orang meragui bahawa semua organisma hidup – dari bakteria kepada manusia – berasal dari nenek moyang yang sama yang mempunyai alat keturunan seperti itu dan kod genetik. Satu-satunya soalan adalah di mana nenek moyang ini berasal.

Darwin sendiri, nampaknya, hampir tidak berharap bahawa misteri ini akan dapat diselesaikan. Dalam beberapa edisi Asal-usul Spesies, dia juga menyebut Pencipta, yang dikatakan "menghembuskan" kehidupan ke dalam organisma hidup yang pertama. Tetapi ini, bagaimanapun, tidak boleh menjadi konsesi sepenuhnya ikhlas kepada pandangan yang berlaku. Surat-surat Darwin kepada rakan sekerja dan rakan-rakannya selamat, di mana jelas bahawa dia cenderung kepada idea abiogenesis – generasi spontan makhluk hidup pertama dari sebatian organik, entah bagaimana dibentuk di Bumi purba daripada bahan-bahan anorganik.Walau bagaimanapun, beliau percaya bahawa tingkah ini tidak mungkin untuk diperiksa, kerana pada masa ini, secara spontan terbentuk "di beberapa kolam hangat kecil dengan semua jenis ammonium, garam fosforus, cahaya, haba, elektrik, dan lain-lain" bahan organik akan dimakan dan dicerna oleh organisma hidup – yang, tentu saja, tidak akan berlaku pada masa-masa ketika hidup belum dilahirkan.

Sikap ragu-ragu terhadap kemungkinan membongkar misteri asal usul hidup telah dikekalkan untuk masa yang lama Menurut Henderson James Cleaves dari Institut Carnegie di Washington, kira-kira 50 tahun yang lalu, percubaan untuk membongkar misteri asal hidup dianggap "ahli sains tua di akhir karier mereka ketika mereka hanya dapat duduk di kursi dan bercakap." Marilah kita ingat bagaimana N. V. Timofeev-Resovsky dengan sungguh-sungguh menjawab soalan mengenai asal usul kehidupan: "Saya masih kecil, saya tidak ingat, anda meminta ahli akademik Oparin lebih baik, dia tahu."

Cemuhan itu mulai memudar setelah eksperimen oleh Stanley Miller, yang pada tahun 1953 mensintesiskan asid amino dari campuran amonia, metana dan hidrogen (komposisi yang sepatutnya dari suasana purba Bumi), melepaskan pelepasan elektrik melaluinya,kilat ditiru (lihat: Keputusan baru diperoleh daripada eksperimen Stanley Miller lama, Elemen, 10/20/2008). Walau bagaimanapun, kemudian, pentingnya eksperimen Miller dipersoalkan. Menurut data geologi baru yang diperoleh pada tahun 1990-an, terdapat banyak karbon dioksida di atmosfer bumi kuno, yang bukan sebahagian daripada campuran gas dalam eksperimen Miller. Di hadapan CO2 sintesis asid amino dari gas anorganik pada mulanya tidak mahu pergi. Masalah ini diatasi pada tahun 2008 oleh Cleves dan rakan-rakannya. Mereka mendapati bahawa kilat masih boleh merangsang sintesis asid amino dalam campuran gas yang mengandungi CO2, jika anda menambah beberapa bahan tambahan yang boleh hadir di dalam atmosfera utama.

Di samping itu, kilat bukanlah satu-satunya pengeluar bahan organik di Bumi purba. Hari ini, sekurang-kurangnya dua lagi dipercayai, sebenarnya "kilang" bahan organik abiogenik diketahui: ruang dan sumber hidroterma (untuk yang pertama dari sumber-sumber ini lihat: V.N. Snytnikov. Pada yang kedua: Sumber hidroterma – buaian hidup di Bumi?, "Unsur", 10.30.2006).

Pada umumnya, hari ini, sintesis abiogenik bahan organik mudah – "blok bangunan" untuk sebatian yang lebih kompleks, seperti protein dan asid nukleik – tidak lagi menjadi masalah. Asid amino (konstituen protein), asas nitrogen dan gula (konstituen nukleotida yang mengandungi asid nukleik), serta molekul penting lain, boleh disintesis secara abiogenik dalam beberapa cara yang berbeza. Ternyata lebih sukar untuk memahami bagaimana replikator pertama, molekul atau kompleks molekul yang mampu membiakkan diri sendiri, dapat memasang blok-blok ini dengan sendirinya.

Sejak tahun 80an abad ke-20, apabila fungsi pemangkin (enzimatik) RNA ditemui, kelas molekul tertentu ini dianggap sebagai calon utama untuk peranan "molekul pertama hidup". Kemungkinan besar, replikator pertama adalah molekul RNA yang memangkinkan sintesis salinan mereka sendiri (lihat: Hipotesis dunia RNA). Walau bagaimanapun, antara RNA dan sebatian organik sederhana yang terhasil daripada sintesis abiogenik, jurang terperinci kekal. Ahli kimia setakat ini gagal mencari keadaan realistik di mana dari "blok bangunan" yang siap sedia – asas nitrogen, ribosa dan asid fosforik,yang boleh berlaku secara abiogenik, ribonukleotida sendiri akan disintesis. Akibatnya, banyak pakar mengakui keperluan untuk mencari penyelesaian.

Setakat ini, berjaya merapatkan dua cara sedemikian. Yang pertama adalah berdasarkan kepada andaian bahawa peranan asal "bahan keturunan" tidak RNA, dan asid nukleik lain yang biasa kepada kita RNA telah digantikan dalam perjalanan evolusi lanjut. Calon-calon bagi molekul tersebut buatan disintesis yang tidak dijumpai di dalam PNA alam (lihat. Peptide asid nukleik), TNK (lihat. Threose asid nukleik) dan SOC (lihat. Gliserol asid nukleik). molekul ini, dalam satu tangan, lebih mudah untuk mensintesis abiogenically daripada RNA, di pihak yang lain – ia dapat melaksanakan peranan "isi keturunan."

ahli kimia workaround kedua dibangunkan John Sutherland (John Sutherland) dan rakan-rakannya dari Universiti Manchester (United Kingdom). Mereka mendapati bahawa RNA disintesis adalah lebih mudah tidak selesai daripada blok besar – gula dan bes nitrogenous – molekul organik yang lebih mudah seperti formaldehid. Mungkin semasa evolusi kimia antara bahan organik mudah dan RNA ia tidak berada di peringkat pertengahan pengumpulan gula dan bes nitrogenous.Pasukan Sutherland kini sedang menyiapkan penerbitan yang akan menyelesaikan masalah utama sintesis RNA dari organik yang paling mudah. Menurut Sutherland, reaksi berlaku dengan baik pada suhu dan pH yang terdapat dalam badan kecil air. Jika sebatian air seperti ini dari semasa ke semasa tertakluk kepada pengeringan, ia dapat mempercepatkan hal-hal yang disebabkan oleh peningkatan kepekatan reagen di kolam cetek yang tinggal. Oleh itu, Darwin, dengan "kolam hangat kecil", mungkin hampir dengan kebenaran.

Oleh itu, pada laluan yang panjang dan sukar dari molekul anorganik ke sel hidup yang pertama, semakin sedikit "bintik putih" kekal. Daripada misteri yang tersisa, masalah keupayaan reproduksi diri dalam molekul RNA adalah penting (lihat tentang ini dalam nota: Protocell buatan mensintesis DNA tanpa bantuan enzim, Elemen, 09.06.2008). Walau bagaimanapun, masalah ini secara beransur-ansur diselesaikan. Satu lagi langkah penting ke arah ini telah dibuat oleh Tracy Lincoln dan Gerald Joyce (Tracey Lincoln, Gerald Joyce) dari Institut Penyelidikan Scripps di San Diego (California, Amerika Syarikat), yang artikelnya diterbitkan pada 8 Januari di laman web jurnal Sains.

Replikasi ribozim dalam pengalaman Lincoln dan Joyce.Substrat awal adalah 4 oligonukleotida (dua merah jambu di bahagian atas angka dan dua biru di bahagian bawah). Ribozyme biru berfungsi sebagai template untuk memasang ribozyme merah jambu dari dua oligonukleotida merah jambu, dan ribozyme merah jambu berfungsi sebagai matriks untuk memasang ribozyme biru dari dua oligonukleotida biru. Rajah. dari www.rsc.org

Para penyelidik berjaya mengambil beberapa pasang molekul RNA dengan aktiviti pemangkin (ribozymes) yang berjaya meniru (mensintesis salinan) antara satu sama lain. Hasil daripada replikasi bersama ini, populasi ribozim dapat berkembang secara eksponen untuk jangka masa yang sewenang-wenangnya, untuk ini, hanya diperlukan untuk membekalkan penduduk yang semakin meningkat dengan "sumber" yang diperlukan, iaitu, dengan bahan-bahan permulaan untuk sintesis molekul RNA baru. Dalam 30 jam, populasi boleh membesar sehingga 100 juta kali dalam keadaan yang baik. Selain itu, dengan memaksa beberapa pasangan ribozim yang berbeza untuk bersaing antara satu sama lain untuk substrat, penyelidik memaksa mereka untuk memulakan evolusi Darwin. Akibat mutasi spontan dan pemilihan semulajadi, ribozim rekombinan muncul dengan peningkatan kadar pembiakan.

Tidak seperti eksperimen terdahulu, di mana ia mungkin untuk mencapai penghasilan semula molekul RNA tanpa had (lihat: Evolusi di bawah kawalan komputer, "Unsur", 12 April, 2008), dalam kes ini, proses itu terus tanpa penyertaan enzim protein. Satu-satunya perkara yang tidak membenarkan panggilan ini menyebabkan penyelesaian akhir kepada masalah replikasi diri RNA adalah sifat substrat. Pasangan pembiakan ribozim tidak boleh menggunakan ribonukleotida berasingan sebagai bahan permulaan untuk memasang molekul RNA baru: mereka hanya boleh bekerja dengan oligonukleotida, iaitu, dengan serpihan RNA yang agak panjang yang terdiri daripada ribonukleotida.

Oleh itu, antara hasil eksperimen Sutherland (sintesis ribonukleotida dari bahan organik mudah) dan Lincoln-Joyce (replikasi diri ribozim dengan oligonukleotida sebagai substrat) masih terdapat jurang, yang memerlukan penyelidikan tambahan untuk diisi: anda perlu bergerak dari ribonucleotides individu ke oligonukleotides.

Di bahagian akhir esai, Zimmer bercakap tentang kerja untuk menghasilkan protocell buatan – vesikel bersalut lipid yang dapat menyerap "makanan" (nukleotida) dari alam sekitar dan meniru RNA atau DNA.Pembaca Elemen sudah biasa dengan hasil kajian terbaru ini (lihat protocel buatan mensintesis DNA tanpa bantuan enzim, Elemen, 09.06.2008). Pasukan saintis dari Sekolah Perubatan Harvard (Harvard Medical School) di Boston (AS), yang mencipta protocell, terus berusaha memperbaiki mereka. Protocell tidak menggunakan oligonukleotides sebagai substrat, tetapi nukleotida berasingan, dan tidak tanpa bantuan enzim protein, tetapi mereka masih tidak dapat menyelesaikan kitaran replikasi RNA keseluruhan (mereka hanya melakukan langkah individu dari proses ini). Bagaimanapun, penyelidik optimis. Matlamat mereka adalah untuk memastikan bahawa protocell bukan sahaja berkembang dan berkembang biak, tetapi juga berkembang. Pada pendapat mereka, permulaan kehidupan adalah berkait rapat dengan permulaan evolusi Darwin – sebenarnya, ia adalah satu dan peristiwa yang sama. Ia adalah penasaran bahawa tingkah laku protocell bergantung kepada suhu: mereka memanaskan secara aktif dalam haba, menyerap nukleotida dari alam sekitar, dan dalam sejuk mereka menggunakan nukleotida ini lebih aktif untuk sintesis matriks RNA. Mungkin, untuk makhluk hidup pertama kitaran harian adalah ciri: pada waktu siang mereka makan, dan pada waktu malam mereka mereplikasi bahan keturunan mereka?

Rupa-rupanya, hari sudah hampir apabila para saintis akan dapat mengeksperimen semula semua peringkat transformasi bahan lengai ke dalam organisma hidup yang paling mudah.

Sumber:
1) Carl Zimmer. Akar evolusi: Mengenai Asal Kehidupan di Bumi // Sains. 2009. V. 323. P. 198-199.
2) Tracey A. Lincoln, Gerald F. Joyce. Ulangan Sendiri Berkesan Enzim RNA // Sains. Diterbitkan dalam talian pada 8 Januari 2009.

Lihat juga:
1) Keputusan baru diperoleh daripada eksperimen Stanley Miller lama, Elemen, 10/20/2008.
2) V.N. Parmon. Baru dalam teori kemunculan kehidupan, "Kimia dan kehidupan"? 5, 2005.
3) V.N. Snytnikov. Astrocatalysis sebagai titik permulaan untuk proses geologi. Hidup mencipta planet? Dalam buku ini: Evolusi biosfera dan biodiversiti. Pada ulang tahun ke-70 A. Yu. Rozanov. M .: KMK, 2006. ms 49-59.
4) Sumber hidrotermal – buaian kehidupan di Bumi ?, "Elemen", 10/30/2006.
5) Evolusi di bawah kawalan komputer, "Unsur", 12.04.2008.
6) Protocell tiruan mensintesis DNA tanpa bantuan enzim, "Unsur", 09.06.2008.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: