EWOLUCJA PREBIOTYKÓW: GDZIE TO SIĘ STAŁO I CO JEST KONIECZNE - BIOLOGIA - 2026

Termin ewolucja prebiotyczna odnosi się do serii hipotetycznych scenariuszy, które mają na celu wyjaśnienie pochodzenia życia, począwszy od materii nieożywionej w środowisku w warunkach prymitywnych.

Sugerowano, że warunki prymitywnej atmosfery ulegały silnemu pogorszeniu, co sprzyjało tworzeniu się cząsteczek organicznych, takich jak aminokwasy i peptydy, które są budulcem białek; oraz puryny i pirymidyny, które tworzą kwasy nukleinowe - DNA i RNA.

Źródło: pixabay.com

Warunki prymitywne

Wyobrażanie sobie, jak pierwsze formy życia pojawiły się na Ziemi, może być trudnym - a nawet prawie niemożliwym - pytaniem, jeśli nie umieścimy się we właściwym prymitywnym środowisku.

Zatem kluczem do zrozumienia życia z abiotycznych cząsteczek zawieszonych w słynnej „prymitywnej zupie” jest atmosfera w tym odległym środowisku.

Chociaż nie ma całkowitej zgodności co do składu chemicznego atmosfery, ponieważ nie ma sposobu, aby go całkowicie potwierdzić, hipotezy obejmują składy redukcyjne (CH ₄ + N ₂ , NH ₃ + H ₂ O lub CO ₂ + H ₂ + N ₂ ) do bardziej neutralnych środowisk (tylko z CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Ogólnie przyjmuje się, że w atmosferze brakowało tlenu (pierwiastek ten znacznie zwiększył swoje stężenie wraz z nadejściem życia). Do skutecznej syntezy aminokwasów, puryn, pirymidyn i cukrów niezbędna jest obecność środowiska redukującego.

Jeśli rzeczywista atmosfera w tamtym czasie nie miała tych prebiotycznych warunków chemicznych, związki organiczne musiały pochodzić z cząstek pyłu lub innych ciał kosmicznych, takich jak meteoryty.

Gdzie nastąpiła ewolucja prebiotyczna?

Istnieje kilka hipotez dotyczących fizycznej przestrzeni na Ziemi, które pozwoliły na rozwój pierwszych biomolekuł i replikatorów.

Teoria, która zyskała znaczące poparcie we wstępnym tworzeniu się biomolekuł w kominach hydrotermalnych w oceanie. Jednak inni autorzy uważają to za mało prawdopodobne i dyskredytują te regiony jako ważne czynniki w syntezie prebiotyków.

Teoria sugeruje, że synteza chemiczna zachodziła przez przepuszczanie wody w przedziale czasowym od 350 ° C do 2 ° C.

Problem z tą hipotezą wynika z faktu, że związki organiczne rozkładają się w wysokich temperaturach (350 ° C) zamiast syntetyzować, co sugeruje mniej ekstremalne środowiska. Więc hipoteza straciła poparcie.

Co jest potrzebne do ewolucji prebiotyków?

Aby przeprowadzić badanie związane z ewolucją prebiotyków, konieczne jest udzielenie odpowiedzi na szereg pytań, które pozwolą nam zrozumieć powstawanie życia.

Musimy zadać sobie pytanie, jaki rodzaj procesu katalitycznego sprzyjał powstaniu życia i skąd czerpano energię, która sprzyjała pierwszym reakcjom. Odpowiadając na te pytania, możemy pójść dalej i zapytać, czy pierwsze pojawiające się cząsteczki były błonami, replikatorami czy metabolitami.

Odpowiemy teraz na każde z tych pytań, aby zrozumieć możliwe pochodzenie życia w środowisku prebiotycznym.

Katalizatory

Życie, jakie znamy dzisiaj, wymaga do rozwoju szeregu „umiarkowanych warunków”. Wiemy, że większość istot organicznych istnieje tam, gdzie temperatura, wilgotność i pH są fizjologicznie dopuszczalne - z wyjątkiem organizmów ekstremofilnych, które, jak sama nazwa wskazuje, żyją w ekstremalnych środowiskach.

Jedną z najważniejszych cech żywych systemów jest wszechobecność katalizatorów. Reakcje chemiczne istot żywych są katalizowane przez enzymy: złożone cząsteczki o charakterze białkowym, które zwiększają szybkość reakcji o kilka rzędów wielkości.

Pierwsze żywe istoty musiały mieć podobny system, prawdopodobnie rybozymy. W literaturze istnieje otwarte pytanie, czy ewolucja prebiotyków mogłaby nastąpić bez katalizy.

Zgodnie z dowodami, w przypadku braku katalizatora biologiczna ewolucja byłaby wysoce nieprawdopodobna - ponieważ reakcje musiałyby zajść w monumentalnych odstępach czasu. Dlatego postuluje się ich istnienie na wczesnych etapach życia.

Energia

Energia do syntezy prebiotyków musiała skądś się pojawić. Sugeruje się, że niektóre cząsteczki nieorganiczne, takie jak polifosforany i tioestry, mogły odgrywać ważną rolę w produkcji energii do reakcji - w czasach przed istnieniem słynnej „waluty” energetycznej komórek: ATP.

Z energetycznego punktu widzenia replikacja cząsteczek niosących informację genetyczną jest wydarzeniem bardzo kosztownym. W przypadku przeciętnej bakterii, takiej jak E. coli, pojedyncze zdarzenie replikacji wymaga 1,7 * 10 ¹⁰ cząsteczek ATP.

Dzięki istnieniu tej niezwykle wysokiej liczby, obecność źródła energii jest niekwestionowanym warunkiem stworzenia prawdopodobnego scenariusza, w którym powstało życie.

Podobnie, istnienie reakcji typu „redoks” mogło przyczynić się do syntezy abiotycznej. Z biegiem czasu system ten może stać się ważnym elementem transportu elektronów w komórce, powiązanym z produkcją energii.

Który ze składników komórkowych powstał jako pierwszy?

W komórce są trzy podstawowe elementy: membrana, która ogranicza przestrzeń komórki i zamienia ją w odrębną jednostkę; replikatory przechowujące informacje; i reakcje metaboliczne, które zachodzą w tym systemie. Funkcjonalna integracja tych trzech składników daje początek komórce.

Dlatego w świetle ewolucji warto zadać pytanie, który z tych trzech powstał jako pierwszy.

Synteza błon wydaje się być prosta, ponieważ lipidy spontanicznie tworzą struktury pęcherzykowe ze zdolnością do wzrostu i podziału. Pęcherzyk umożliwia przechowywanie replikatorów i utrzymuje stężenie metabolitów.

Teraz debata koncentruje się na przywództwie replikacji w porównaniu z metabolizmem. Ci, którzy przywiązują większą wagę do replikacji, argumentują, że rybozymy (RNA z mocą katalityczną) były w stanie się replikować, a dzięki pojawieniu się mutacji mógł powstać nowy system metaboliczny.

Odwrotny pogląd podkreśla znaczenie generowania prostych cząsteczek - takich jak kwasy organiczne obecne w cyklu kwasu trikarboksylowego - do spalania w umiarkowanych źródłach ciepła. Z tej perspektywy pierwsze kroki ewolucji prebiotyków obejmowały te metabolity.

Bibliografia

1. Anderson, PW (1983). Sugerowany model ewolucji prebiotycznej: wykorzystanie chaosu. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P. i Takeuchi, N. (2003). Selekcja wielopoziomowa w modelach ewolucji prebiotyków: przedziały i samoorganizacja przestrzenna. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A. i Miller, SL (1996). Pochodzenie i wczesna ewolucja życia: chemia prebiotyków, świat pre-RNA i czas. Celi, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K. i Alfonzo, J. (2016). Od prebiotyków do probiotyków: ewolucja i funkcje modyfikacji tRNA. Życie, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA i Fontanari, JF (2008). Modele opakowań i kryzys informacyjny ewolucji prebiotyków. Journal of theoretical biology, 252 (2), 326–337.
6. Wong, JTF (2009). Ewolucja prebiotyków i astrobiologia. CRC Press.