Затем, где-то в процессе, эти растущие полимерные цепи развили способность копировать сами себя. Конкуренция между этими молекулами позволила бы наиболее эффективным в создании копий самих себя делать это быстрее или с большим количеством — черта, которую разделяют копии, которые они сделали. Эти быстрые репликаторы наполняли суп быстрее, чем другие полимеры, позволяя передавать информацию, которую они закодировали, от одного поколения к другому и, в конечном итоге, давая начало тому, что мы сегодня считаем жизнью.
Или так гласит история. Но без каких-либо летописей окаменелостей тех ранних дней, это повествование, в котором все еще отсутствуют некоторые главы. В частности, остается проблематичным один вопрос: что позволило перейти от изначального супа отдельных мономеров к самовоспроизводящимся полимерным цепям??
Новая модель, опубликованная на этой неделе в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing, предлагает потенциальный механизм, с помощью которого могла возникнуть саморепликация. Он утверждает, что лигирование с помощью шаблона, соединение двух полимеров с использованием третьего, более длинного, в качестве шаблона, могло позволить полимерам стать самовоспроизводящимися.
«Мы пытались восполнить этот пробел в понимании между простыми физическими системами и чем-то, что может вести себя как в жизни и передавать информацию», — сказал Алексей Ткаченко, исследователь из Брукхейвенской национальной лаборатории.
Ткаченко проводил исследование вместе с Сергеем Масловым, профессором Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, по совместному назначению в Брукхейвене.
Истоки самовоспроизведения
Самовоспроизведение — сложный процесс: ДНК, являющаяся основой жизни на Земле сегодня, требует скоординированной когорты ферментов и других молекул, чтобы дублировать себя. Ранние самовоспроизводящиеся системы, безусловно, были более рудиментарными, но их существование в первую очередь все еще несколько сбивает с толку.
Ткаченко и Маслов предложили новую модель, которая показывает, как могли работать самые ранние самовоспроизводящиеся молекулы. Их модель переключается между «дневными» фазами, когда отдельные полимеры свободно плавают, и «ночными» фазами, где они соединяются вместе, образуя более длинные цепи посредством лигирования с помощью шаблона. Фазы управляются циклическими изменениями условий окружающей среды, таких как температура, pH или соленость, которые выводят систему из равновесия и заставляют полимеры либо объединяться, либо дрейфовать.
Согласно их модели, во время ночных циклов несколько коротких полимеров связываются с более длинными полимерными нитями, которые действуют как шаблоны. Эти более длинные нити шаблона удерживают более короткие полимеры достаточно близко друг к другу, чтобы они могли лигировать, чтобы сформировать более длинную нить — дополнительную копию по крайней мере части шаблона. Модель предсказывает, что со временем вновь синтезированные полимеры начинают доминировать, создавая автокаталитическую и самоподдерживающуюся систему молекул, достаточно больших, чтобы потенциально кодировать чертежи жизни
Полимеры также могут связываться друг с другом без помощи шаблона, но процесс несколько более случайный — цепочка, которая образуется в одном поколении, не обязательно будет перенесена в следующее.
С другой стороны, лигирование с помощью шаблона является более надежным средством сохранения информации, поскольку полимерные цепи одного поколения используются для создания следующего. Таким образом, модель, основанная на лигировании с помощью матрицы, сочетает удлинение полимерных цепей с их репликацией, обеспечивая потенциальный механизм наследственности.
В то время как некоторые предыдущие исследования утверждали, что сочетание этих двух факторов необходимо для перехода системы от мономеров к самовоспроизводящимся полимерам, модель Маслова и Ткаченко демонстрирует, что физически саморепликация может возникнуть только при лигировании с помощью матрицы.
«Что мы впервые продемонстрировали, так это то, что даже если все, что у вас есть, это лигирование с помощью шаблонов, вы все равно можете загрузить систему из первозданного супа», — сказал Маслов.
Идея лигирования с помощью шаблона, приводящего к саморепликации, была первоначально предложена в 1980-х годах, но качественно. «Теперь это настоящая модель, которую можно запустить через компьютер», — сказал Ткаченко. "Это надежная наука, к которой вы можете добавить другие функции и изучить эффекты памяти и наследование."
Согласно модели Ткаченко и Маслова, переход от мономеров к полимерам происходит очень внезапно.
Это также гистерезис, то есть требуется очень определенный набор условий, чтобы совершить начальный скачок от мономеров к самовоспроизводящимся полимерам, но эти строгие требования не являются необходимыми для поддержания системы самовоспроизводящихся полимеров после того, как кто-то перескочит. первое препятствие.
Одним из ограничений модели, которое исследователи планируют рассмотреть в будущих исследованиях, является ее предположение, что все полимерные последовательности имеют одинаковую вероятность возникновения.
Передача информации требует наследственных вариаций в частотах последовательностей — определенные комбинации оснований кодируют определенные белки, которые выполняют разные функции. Следующим шагом является рассмотрение сценария, в котором одни последовательности становятся более распространенными, чем другие, что позволяет системе передавать значимую информацию.
Модель Маслова и Ткаченко вписывается в популярную в настоящее время гипотезу мира РНК — веру в то, что жизнь на Земле началась с автокаталитических молекул РНК, которые затем привели к более стабильной, но более сложной ДНК как способу наследования. Но поскольку он настолько общий, его можно использовать для проверки любой гипотезы происхождения жизни, основанной на появлении простой автокаталитической системы.
«Модель по замыслу очень общая, — сказал Маслов. «Мы не пытаемся ответить на вопрос о том, откуда исходит этот изначальный суп из мономеров» или о конкретных молекулах, участвующих. Скорее, их модель показывает физически правдоподобный путь от мономера к самовоспроизводящемуся полимеру, шагая на шаг ближе к пониманию происхождения жизни.
Предыстория: Официант, в моем первозданном супе есть РНК — прослеживание происхождения жизни от Дарвина до наших дней
Почти у каждой культуры на земле есть история происхождения, легенда, объясняющая ее существование. Мы, люди, похоже, очень нуждаемся в объяснении того, как мы оказались здесь, на этой маленькой планете, вращающейся в огромной вселенной. Ученые тоже долго искали историю нашего происхождения, пытаясь понять, как в молекулярном масштабе Земля превратилась из беспорядка неорганических молекул в упорядоченную систему жизни.
На вопрос невозможно ответить однозначно — нет ни летописи окаменелостей, ни очевидцев. Но это не помешало ученым попытаться.
За последние 150 лет наше меняющееся понимание происхождения жизни отразило появление и развитие областей органической химии и молекулярной биологии. То есть более глубокое понимание роли, которую нуклеотиды, белки и гены играют в формировании нашего живого мира сегодня, также постепенно улучшило нашу способность заглядывать в их загадочное прошлое.
Когда Чарльз Дарвин опубликовал свой основополагающий труд «Происхождение видов» в 1859 году, он мало говорил о возникновении самой жизни, возможно, потому, что в то время не было возможности проверить такие идеи. Его единственные реальные замечания по этому поводу происходят из более позднего письма другу, в котором он предположил, что жизнь возникла из «маленького теплого пруда» с богатым химическим бульоном из ионов.
Тем не менее влияние Дарвина было далеко идущим, и его небрежное замечание легло в основу многих сценариев происхождения жизни в последующие годы.
В начале 20 века эту идею популяризировал и развил российский биохимик Александр Опарин. Он предположил, что атмосфера на ранней Земле сокращалась, что означало, что в ней был избыток отрицательного заряда. Этот дисбаланс зарядов может катализировать существующий пребиотический суп из органических молекул в самых ранних формах жизни.
Сочинения Опарина в конечном итоге вдохновили Гарольда Юри, который начал отстаивать предложение Опарина. Затем Юри привлек внимание Стэнли Миллера, который решил формально проверить идею. Миллер взял смесь того, что, по его мнению, могло содержаться в океанах ранней Земли — восстановительную смесь метана, аммиака, водорода и воды — и активировал ее электрической искрой. Разряд электричества, действующий как удар молнии, превратил почти половину углерода в метане в органические соединения.
Одним из созданных им соединений был глицин, простейшая аминокислота.
Новаторский эксперимент Миллера-Юри показал, что неорганическое вещество может давать начало органическим структурам. И хотя идея восстановительной атмосферы постепенно утратила популярность, ее заменила среда, богатая углекислым газом, базовая структура Опарина — изначальный суп, богатый органическими молекулами, — оставалась неизменной.
Идентификация ДНК как наследственного материала, общего для всего живого, и открытие того, что ДНК кодирует РНК, которая кодирует белки, дало новое понимание молекулярной основы жизни. Но это также заставило исследователей происхождения жизни ответить на непростой вопрос: как мог начаться этот сложный молекулярный механизм?? ДНК — это сложная молекула, для репликации которой требуется скоординированная команда ферментов и белков. Его самопроизвольное появление казалось невероятным.
В 1960-х годах трое ученых — Лесли Оргел, Фрэнсис Крик и Карл Вёзе — независимо друг от друга предположили, что РНК может быть недостающим звеном. Поскольку РНК может самовоспроизводиться, она могла выступать как генетический материал, так и катализатор ранней жизни на Земле. ДНК, более стабильная, но более сложная, появилась бы позже.
Сегодня широко распространено мнение (хотя отнюдь не общепризнанное), что в какой-то момент истории на Земле доминировал мир, основанный на РНК. Но как он туда попал — и существовала ли до этого более простая система — все еще обсуждается. Многие утверждают, что РНК слишком сложна, чтобы быть первой самовоспроизводящейся системой на Земле, и что ей предшествовало нечто более простое.
Грэм Кэрнс-Смит, например, с 1960-х годов утверждал, что самые ранние геноподобные структуры были основаны не на нуклеиновых кислотах, а на несовершенных кристаллах, образовавшихся из глины.
Он считал, что дефекты кристаллов хранят информацию, которую можно воспроизвести и передать от одного кристалла к другому. Его идея, хотя и интригующая, сегодня не получила широкого распространения.
Другие, воспринимаемые более серьезно, подозревают, что РНК могла возникнуть вместе с пептидами — миром РНК-пептидов, в котором они работали вместе, создавая сложность. Биохимические исследования также дают представление о более простых аналогах нуклеиновых кислот, которые могли предшествовать знакомым основаниям, которые сегодня составляют РНК.
Также возможно, что самые ранние самовоспроизводящиеся системы на Земле не оставили никаких следов в наших нынешних биохимических системах. Возможно, мы никогда не узнаем, и тем не менее сложность поиска, похоже, является частью его привлекательности.
Недавнее исследование Ткаченко и Маслова, опубликованное 28 июля 2015 года в The Journal of Chemical Physics, предполагает, что самореплицирующиеся молекулы, такие как РНК, могли возникнуть в результате процесса, называемого лигированием с помощью шаблона. То есть, при определенных условиях окружающей среды, небольшие полимеры могут быть связаны с более длинными комплементарными полимерными матричными цепями, удерживая короткие цепочки достаточно близко друг к другу, чтобы они могли сливаться в более длинные цепочки.
Благодаря циклическим изменениям условий окружающей среды, которые побуждают комплементарные нити собираться вместе, а затем многократно распадаться, может возникнуть самоподдерживающаяся коллекция гибридизированных самовоспроизводящихся полимеров, способных кодировать чертежи жизни.