I början av livet på jorden

link: http://pratclif.com/memes/deduve-begin-life1.html

Denna artikel publicerades ursprungligen i September-oktober 1995 frågan om Amerikanska Forskare.

Avancerade former av liv har funnits på jorden i minst 3,5 miljarder år sedan, dvs. 1 miljard år efter det att jorden bildades för.

I klipporna i den åldern, fossiliserade avtryck har hittats av bakterier som ser kusligt ut som cyanobakterier, den mest utvecklad fotosyntetiska organismerna i världen idag. Sotavlagringar anrikat i ljusare carbon12 isotopen över tyngre carbon13 isotop, ett tecken på biologiska kol assimilering, intygar att en ännu äldre ålder. Å andra sidan, är det troligt att våra unga planet, fortfarande kämpar med vulkanutbrott och misshandlade av fallande kometer och asteroider, var ogästvänliga för livet för ungefär en halv miljard år efter dess födelse tillsammans med resten av solsystemet, ca 4,5 miljarder år sedan. Detta lämnar ett fönster på kanske 200-300 miljoner år för uppkomsten av liv på jorden.

Denna tid som en gång ansågs för kort för uppkomsten av något som komplext som en levande cell. Därför förslag framfördes att bakterier i livet kan ha kommit till jorden från yttre rymden med kometernas damm eller, som föreslagits av Francis Crick DNA-dubbelspiralen berömmelse, på ett rymdskepp som skickades ut av någon avlägsen civilisation. Inga bevis till stöd för dessa förslag har ännu inte erhållits. Samtidigt anledningen till att dem har i stort sett försvunnit. Det är nu allmänt accepterat att, om livet uppstod spontant genom naturliga processer—en nödvändig förutsättning om vi vill förbli inom vetenskapen—det måste ha uppstått ganska snabbt, inom loppet av årtusenden eller århundraden, kanske till och med mindre, än i miljontals år. Även om livet kom från annat håll, skulle vi fortfarande behöva stå till svars för sin första utveckling. Därmed kan vi också anta att livet började på jorden.

Hur denna betydelsefulla händelse som hände är fortfarande i hög grad bygger på gissningar, men inte längre rent spekulativa. Ledtrådar kommer från jorden, från yttre rymden, från experiment i laboratorier, och, framför allt, från livet självt. Historien om livet på jorden är skrivet i celler och molekyler av befintliga organismer. Tack vare framsteg i cellbiologi, biokemi och molekylärbiologi, forskare blir allt mer skicklig på att läsa texten.

En märklig spekulation om livets uppkomst på jorden är given av den neo-Darwinist Richard Dawkins i Kapitel 6 i sin bok “den Blinde Urmakaren”.

En viktig regel i denna övning är att rekonstruera de tidigaste händelser i livet historia utan om de fortsatte med fördel på förutseende ie. av blinda variation och naturligt urval. Varje steg måste man ta hänsyn till i fråga om tidigare och samtidiga händelser. Var och en måste stå på egna ben och kan inte ses som en förberedelse för vad som komma skall. Någon antydan av teleologi måste undvikas.

Byggstenar

De tidiga forskarna uppfann termen “ekologisk” kemi för att beteckna den del av kemi som handlar om föreningar som gjorts av levande organismer. Syntesen av urea av Friedrich Wöhler 1828 brukar hyllas som den första bevis på att en speciell “vital kraft” inte behövs för organiska synteser. Kvardröjande spår av en vitalistic mystik dock länge varit associerade med en organisk kemi, ses som en speciell typ av liv som är beroende av kemi som bara människans uppfinningsrikedom kan jämställas. Den slutliga avmystifiering som inledning av den organiska kemin har uppnåtts genom utforskning av yttre rymden.

Spektroskopisk analys av inkommande strålning har visat att kosmisk utrymmen genomsyras av ett extremt svagt moln av mikroskopiska partiklar, så kallade interstellära stoft, som innehåller en mängd olika kombinationer av kol, väte, syre, kväve och, ibland, svavel och kisel. Dessa är oftast mycket reaktiva fria radikaler och små molekyler som knappast skulle förbli intakt under förhållanden på jorden, men skulle samverka för att bilda mer stabila, typiska organiska föreningar, många av dem liknar ämnen som finns i levande organismer. Att sådana processer verkligen sker framgår av närvaro av aminosyror och andra biologiskt betydande föreningar på himlakroppar, till exempel meteoriten som föll i 1969 i Murchison, Australien, Komet Halley (som kan analyseras under sin senaste passage med hjälp av instrument som på ett rymdskepp), och Saturnus satellit-Titan, haven i, som tros vara gjord av kolväten.

Det är allmänt överens om att dessa föreningar är inte produkter av livet, men bildar spontant av banala kemiska reaktioner. Organisk kemi är inget annat än kol kemi. Det råkar bara vara enormt mycket rikare än kemi av andra delar och på så sätt kan stödja liv—på grund av den unika associativa egenskaper kolatomen. Med all sannolikhet de första byggstenarna i livet uppstod som gör alla naturliga kemiska föreningar–spontant, enligt reglerna för ellära.

De första tecknen på att det kan vara så, kom från laboratoriet, innan bevis för att den hittades i rymden, genom den historiska experiment av Stanley Miller, nu påminde i vetenskapen läroböcker. I början av 1950-talet, Miller var doktorand vid University of Chicago laboratorium av Harold Urey, upptäckaren av tungt väte och en myndighet om hur planeter bildas. Han genomförde experiment som syftar till att ta reda på hur lightning—reproduceras genom upprepade elektriska urladdningar, kan ha påverkat den primitiva jorden atmosfär, som Urey tros vara en blandning av väte, metan, ammoniak och vattenånga. Resultatet översteg Miller vildaste förhoppningar och drivit honom direkt in i fästet av kändisar. På bara några dagar, mer än 15 procent av metan och koldioxid som utsätts för elektriska urladdningar i laboratoriet hade varit omvandlas till en mängd olika aminosyror, byggstenarna i proteiner och andra potentiella biologiska beståndsdelar. Även om den primitiva atmosfär är inte längre trodde på att bli så rika på väte som en gång trodde att Urey, upptäckten att Murchison meteoriten innehåller samma aminosyror som erhålls genom Miller, och även i samma relativa proportioner, tyder starkt på att hans resultat är relevanta.

Miller ‘ s discovery har utlöst uppkomsten av en ny kemisk disciplin, abiotiska kemi, som syftar till att föröka sig i laboratoriet kemiska händelser som inleddes framväxten av livet på jorden i fyra miljarder år sedan. Förutom att aminosyror och andra organiska syror, experiment i abiotiska kemi har gett socker, liksom purin och pyrimidin grunder, av vilka vissa är delar av nukleinsyror DNA och RNA, och andra biologiskt betydelsefulla ämnen, även om det ofta under mer krystat villkor och lägre avkastning än vad man skulle förvänta sig för en prebiotic processen. Hur långt i riktning mot biokemiska komplexitet grov processer som studeras genom abiotiska kemi kan leda är ännu inte klart. Men det verkar mycket troligt att de första byggstenarna i begynnande liv var som tillhandahålls av aminosyror och andra små organiska molekyler som är kända för att bilda lätt i laboratorium och på himlakroppar. I vilken utsträckning dessa ämnen uppstod på jorden eller fördes av den fallande kometer och asteroider som bidragit till det slutliga anhopning av vår planet är fortfarande diskuteras.

RNA-Världen

Oavsett tidigaste händelser på vägen till den första levande cellen, det är klart att någon gång några av de stora biologiska molekyler som finns i moderna celler måste ha uppstått. Betydande debatt i origin-of-life-studier har kretsat kring vilken av de grundläggande makromolekyler som kom först—den ursprungliga hönan-eller-ägget-fråga.
Den moderna cell sysselsätter fyra stora klasser av biologiska molekyler,—nukleinsyror, proteiner, kolhydrater och fetter. Debatten under de tidigaste biologiska molekyler, men kretsar främst på nukleinsyror, DNA och RNA och proteiner. Vid en eller annan tidpunkt, en av dessa molekylära klasser har verkat som sannolikt utgångspunkt, men vilket? För att besvara den måste vi titta på de funktioner som utförs av var och en av dessa i befintliga organismer.

Proteiner är de viktigaste strukturella och funktionella agenter i cellen. Strukturella proteiner som tjänar till att bygga alla typer av komponenter inuti cellen, och runt det. Katalytisk proteiner eller enzymer, utföra tusentals kemiska reaktioner som sker i en viss cell, bland dem syntes av alla andra biologiska beståndsdelar (inklusive DNA och RNA), fördelningen av livsmedel och hämtning och konsumtion av energi. Reglerande proteiner kommandot många interaktioner som styr uttrycket och replikering av gener, utförandet av enzymer, samspelet mellan celler och deras miljö, och många andra manifestationer. Genom åtgärder av proteiner, celler och organismer bildar de uppstår, utvecklas, fungera och utvecklas på ett sätt som föreskrivs av sina gener, som moduleras av sin omgivning.

En sak proteiner inte kan göra är att kopiera sig själva. För att vara säker, att de kan, och gör, underlätta bildandet av bindningar mellan sina beståndsdelar-aminosyror. Men de kan inte göra detta utan att den information som finns inom nukleinsyror, DNA och RNA. I alla moderna organismer, DNA fungerar som lagringsplats av genetisk information. De DNA innehåller, i krypterad form, instruktioner för tillverkning av proteiner. Mer specifikt, som är kodad i DNA är den exakta ordning som aminosyror, valda vid varje steg från 20 skilda sorter, ska uppträdda tillsammans för att bilda alla organisms proteiner. I övrigt, varje gen innehåller instruktioner för ett protein.

DNA i sig består av linjära montering av ett stort antal enheter som kallas nukleotider. Det finns fyra olika typer av nukleotider, som utsetts av nämnden att deras väljare grunder: A (adenin), G (guanin), C (cytosin) och T (tymin). Sekvensen av nukleotider som bestämmer på information om innehåll av molekyler, som gör den sekvens av bokstäver i ord.

Inom alla celler, DNA-molekyler som bildas från två DNA-strängar som spiral runt varandra i en formation som kallas en dubbel helix. De båda delarna hålls samman av band mellan baser för respektive programområde. Limning är ganska specifik, så att En alltid obligationer med T och G är alltid samarbetat med C på motsatt DNA-strängen. Denna komplementaritet är avgörande för trogna replikering av DNA-strängar innan celldelning.

Under DNA-replikation, DNA-strängar är skilda, och varje del fungerar som en mall för replikering av sina kompletterande strand. Vart En visas på mallen, en T läggs till den begynnande strand. Eller, om T är på mallen, då läggs till den växande strand. Det samma är sant för G-och C-par. I egenskap dubbel-spiralformade struktur av DNA och de två delarna har samma information i kompletterande versioner, som gör att den positiva och den negativa av samma fotografi. Vid replikering, den positiva strand fungerar som mall för montering av en ny negativ och negativ strand för en ny positiv, vilket ger två identiska duplex.

För att DNA för att fullgöra sin primära uppgift är att styra byggandet av proteiner, ett mellanliggande molekyl måste göras. DNA inte direkt delta i proteinsyntesen. Det är funktionen av dess mycket nära kemiska relativa RNA.

Uttryck för DNA börjar när en RNA-molekylen är uppbyggd med information för att en gen som finns på DNA-molekylen. RNA, som DNA, består av nukleotider, men U (uracil) tar plats i T. Byggandet av RNA-molekylen följer samma regler som DNA-replikation. RNA-kopia, som kallas en avskrift, är en kompletterande kopia av DNA, med U (istället för T) som sätts in när En visas på DNA-mallen.

De flesta RNA-avskrifter, ofta efter vissa ändringar, ge information för montering av proteiner. Sekvensen av nukleotider längs den kodande RNA, träffande kallade messenger RNA, ange sekvensen av aminosyror i motsvarande protein—tre på varandra följande nukleotider (s.k kodon) i RNA ange en aminosyra som ska användas i protein. Processen är känd som översättning, och överensstämmelser mellan kodoner och aminosyror definiera den genetiska koden.

Inte alla RNA-molekyler är budbärare, dock. Några av Rna delta i proteinsyntesen på andra sätt. Vissa faktiskt gör upp den cellulära maskineri som skapar proteiner. Dessa kallas ribosomal Rna, och de kan innehålla den faktiska katalysator som ansluter sig till aminosyror med peptidbindningar, enligt arbete Harry Noller vid University of California i Santa Cruz. Andra Rna som kallas transfer-Rna, färja lämplig aminosyror till ribosomen. Som cell-biologi har utvecklats, ännu fler funktioner för RNA har upptäckts. Till exempel, vissa RNA-molekyler som deltar i DNA-replikation, medan andra hjälper till att processen messenger Rna.

Forskare med tanke på ursprunget av biologiska molekyler inför en djupgående svårigheter. I den moderna cell, varje av dessa molekyler är beroende av de andra två för dess tillverkning eller dess funktion. DNA, till exempel, är bara ett utkast, och inte kan utföra en enda katalytiska funktion, och den kan inte heller replikera på egen hand. Proteiner, å andra sidan, utföra de flesta av de katalytiska funktioner, men kan inte tillverkas utan de specifikationer som är kodad i DNA. Ett möjligt scenario för livets ursprung skulle inkludera möjligheten att två typer av molekyler utvecklats tillsammans, en informationsansvarig och en katalysator. Men detta scenario är mycket komplicerat och mycket osannolikt.

Den andra möjligheten är att en av dessa molekyler kan själv utföra flera funktioner. Teoretiker med tanke på denna möjlighet börjat att se allvarligt på RNA. För en sak, den molekyl som är utbyggda i moderna celler tyder på att det är en mycket gammal molekyl. Det verkar också vara mycket anpassningsbar, att delta i alla processer rörande informationsbehandling inom cellen. För ett tag, det enda RNA inte verkar kunna göra var som katalyserar kemiska reaktioner.

Att visa ändras när det i slutet av 1970-talet, Sydney Altman vid Yale University och Thomas Cech vid University of Colorado i Boulder, självständigt upptäckte RNA-molekyler som i själva verket kunde katalytiskt punktskatter delar av sig själva eller av andra RNA-molekyler. Hönan-eller-ägget-gåtan om livets uppkomst verkade falla bort. Det verkade nu är teoretiskt möjligt att en RNA-molekyl som kunde ha funnits som naturligtvis innehöll den sekvens information för dess reproduktion genom ömsesidig bas ihopkopplingen och kunde också katalyserar syntesen av mer som RNA-strängen.

I 1986, Harvard kemist Walter Gilbert myntade begreppet “RNA-värld” att utse en hypotetisk steg i utvecklingen av livet som “RNA-molekyler och metionin [var] en tillräcklig uppsättning av enzymer för att utföra alla de kemiska reaktioner som är nödvändiga för första cellulära strukturer.” Idag är det nästan en fråga om dogmer som att evolutionen har en fas där RNA var den dominerande biologiska makromolekyl.

Ursprung och Evolution av RNA-Världen

Som vissa som många människor är att RNA-världen var en avgörande fas i livet är evolution, det kan inte ha varit den första. Någon form av abiotiska kemi måste ha funnits innan RNA kom på scenen. För tillämpningen av denna diskussion, jag ska kalla det tidigare fas “protometabolism” för att ange det antal okända kemiska reaktioner som genereras RNA-världen och uthållig under hela dess existens (i motsats till metabolism–set av reaktioner katalyseras av protein enzymer, som har stöd för alla levande organismer i dag). Per definition, protometabolism (som kunde ha utvecklats med tiden) var ansvarig tills ämnesomsättning tog över. Flera stadier kan urskiljas i denna övergång.

I den första etappen, en väg för att utvecklas som tog råa ekologiska material och förvandlat det till RNA. De första byggstenarna i livet hade att omvandlas till komponenter av nukleotider, från vilka nukleotider som själva hade att bildas. Från det, nukleotider hade att uppträdda tillsammans för att producera den första RNA-molekyler. Insatser för att reproducera dessa händelser i laboratoriet har bara delvis framgångsrik så här långt, vilket är förståeligt med tanke på komplexiteten i den kemi som är inblandade. Å andra sidan, det är också förvånande eftersom dessa måste ha varit kraftiga reaktioner för att upprätthålla RNA-världen för en lång tid. I motsats till vad som ibland antyds, idén om ett par RNA-molekyler som kommer tillsammans med någon slump kombination av omständigheter och hädanefter kan reproduceras och förstärks genom replikering är helt enkelt inte hållbart. Det kan ingen vara replikering utan en stark kemisk grund att fortsätta att tillhandahålla de nödvändiga material och energi.

Utvecklingen av RNA-replikation måste ha varit den andra etappen i utvecklingen av RNA-värld. Problemet är inte så enkelt som det kan tyckas vid en första anblick. Försök engineering-med betydligt mer förutseende och teknisk support än de prebiotiska världen kunde ha haft-en RNA-molekyl som kan katalysera RNA-replikation har hittills misslyckats.

Med tillkomsten av RNA-replikation, Darwinistisk evolution var möjligt för första gången. På grund av den oundvikliga kopiering av misstag, ett antal varianter av den ursprungliga mallen molekyler bildats. Några av dessa varianter var replikerade snabbare än andra eller visat sig vara mer stabila, och därmed gradvis tränger ut mindre gynnade molekyler. Så småningom, en enda molekylär arter, som kombinerar replicatability och stabilitet på bästa sätt under rådande förhållanden, blev dominerande. Här, på molekylär nivå, är exakt den mekanism som postuleras av Darwin för utvecklingen av organismer: slumpartad variation, konkurrens, utbud och förstärkning av de starkaste enhet. Scenariot är inte bara en teoretisk konstruktion. Det har varit reenacted många gånger i laboratorium med hjälp av en viral replikering enzym, först 1967 av den Amerikanske biokemisten Sol Spiegelman av Columbia University.

En spännande möjlighet är att replikering var i sig en produkt av molekylära urval. Det verkar mycket osannolikt att protometabolism produceras bara fyra baser som finns i RNA, A, U, G och C, redo av någon märklig slump att engagera sig i para ihop och låta replikering. Kemi har inte denna typ av framsyn. Med all sannolikhet, fyra baser uppstod tillsammans med ett antal andra ämnen på liknande sätt är uppbyggd av en eller flera ringar som innehåller kol och kväve. Enligt inventarium, sådana ämnen som kan ha omfattat andra medlemmar av purin familj (som inkluderar En och G), pyrimidines (som inkluderar U, T och C), nikotinamid-och flavin, som båda faktiskt engagera sig i nukleotid-liknande kombinationer, och pterines, bland andra föreningar. Den första nukleinsyra-liknande molekyler som förmodligen innehöll ett urval av dessa föreningar. Molekyler som är rik på A, U, G och C sedan var successivt utvalda och förstärks, när vissa rudimentära mall som är beroende av syntetiska mekanism som möjliggör en bas ihopkopplingen uppstod. RNA, som det finns i dag, kan således ha varit den första produkten i molekylär urval.

Ett tredje steg i utvecklingen av RNA-världen var utvecklingen av RNA-beroende på proteinsyntesen. Mest troligt, kemiska maskiner dök upp först, som ännu oinformerade av genetiska meddelanden, som ett resultat av interaktioner mellan vissa RNA-molekyler, som prekursorer för framtida överföring, ribosomal och messenger-Rna och aminosyror. Urval av de RNA-molekyler som är inblandade kan tänkas förklaras på grundval av molekylära fördelar, som beskrevs ovan. Men för att ytterligare utveckling för att ta plats, något mer behövs. RNA-molekyler som inte längre hade väljas enbart på grund av vad de , men av vad de har, som är att utöva vissa katalytisk aktivitet, mest framträdande att göra proteiner. Detta innebär att RNA-molekyler kan delta i proteinsyntesen haft en selektiv fördel, inte för att de var sig själva lättare att replikera eller mer stabil, men på grund av de proteiner som de gjorde gynnade deras replikering av någon form av indirekt feedback-loop.

Detta skede signaler gränsen för vad som kunde ha hänt i en ostrukturerad soppa. För att utvecklas vidare, systemet skulle vara uppdelad i ett stort antal konkurrerande primitiva celler, eller protocells, kan växa och föröka sig genom delning. Denna uppdelning kan ha hänt tidigare. Ingen som vet. Men det kan inte ha hänt senare. Detta tillstånd innebär att protometabolism också fram det material som behövs för montering av de membran som omger protocells. I dagens värld, dessa material är komplexa proteiner och fett fett molekyler. De var förmodligen enklare i RNA-värld, även om mer avancerade än de odifferentierade “goo” eller “avskum” som den ibland framställs.

När den kemiska maskiner för proteinsyntes installerades, kan information komma in i systemet, via interaktioner mellan vissa RNA delar av maskinen—framtiden messenger-Rna, och andra, aminosyra-redovisat RNA-molekyler—framtiden transfer-Rna. Översättning och den genetiska koden successivt utvecklats parallellt under denna fas, som förmodligen var en följd av Darwinistisk konkurrens bland protocells utrustad med olika varianter av RNA-molekyler som är inblandade. Någon RNA mutation som gjorde att de strukturer som är användbara proteiner närmare beroende av de strukturer av replicatable Rna, vilket ökar replicatability av nyttiga proteiner sig, tilldelas någon evolutionär fördel på protocell i fråga, som var tillåtna för att konkurrera mer effektivt för tillgängliga resurser och för att växa och föröka sig snabbare än andra.
RNA-världen in i den sista fasen i sin utveckling när översättning hade blivit tillräckligt noggranna för att entydigt koppla sekvenser av enskilda proteiner med sekvenser av enskilda RNA-gener. Detta är den situation som finns idag (med DNA som bär det primära genetiska informationen), förutom att dagens system är enormt mycket mer exakt och genomtänkt än den första systemen måste ha varit. Mest troligt, är den första RNA-gener var mycket kort, inte längre än 70 till 100 nukleotider (modern gen löper flera tusen nukleotider), med motsvarande proteiner (mer som protein fragment, som kallas peptider) som innehåller mer än 20 till 30 aminosyror.

Det är under denna fas som protein enzymer som måste ha gjort sitt första framträdande, framväxande en efter en som en följd av vissa RNA-genmutation och förse mutant protocell med möjlighet att utföra en ny kemisk reaktion, eller för att förbättra en befintlig reaktion. De förbättringar som skulle göra det möjligt protocell att växa och föröka sig mer effektivt än andra protocells i vilka mutationer hade inte dykt upp. Denna typ av Darwinistiska urvalet måste ha skett ett stort antal gånger i följd för att tillåta enzymet som är beroende av ämnesomsättningen för att successivt ersätta protometabolism.

Uppkomsten av DNA signalerade en ytterligare förfining i cellens information-processing system, även om datum för denna utveckling kan inte fastställas exakt. Det är inte ens klart om DNA-syntes under RNA-värld eller senare. Visst, som den genetiska system blev mer komplex, det var större fördelar med att lagra genetisk information i en separat molekyl. Den kemiska mutationer som krävs för att erhålla DNA från RNA är ganska triviala. Och det är tänkbart att en RNA-replikera enzym kunde ha varit adjungerad till att överföra information från RNA till DNA. Om detta hände under RNA-värld, det gjorde nog så nära slutet, efter att de flesta RNA-beroende machineries hade installerats.

Vad kan vi dra för slutsats av detta scenario, som trots att det rent hypotetiskt, beskriver i logisk följd av de händelser som ska ha ägt rum om vi accepterar RNA-världen hypotes? Och vad, om något, kan vi dra slutsatsen om protometabolism som måste ha föregått det? Jag kan se tre egenskaper.

För det första, protometabolism involverade stabil uppsättning av reaktioner kan inte bara generera RNA-världen, men också för att bevara det för självklart lång tid det tog för utveckling av RNA-replikation, proteinsyntes och översättning, samt invigningen av enzymer och ämnesomsättning.

För det andra, protometabolism involverade complex uppsättning av reaktioner kan bygga RNA-molekyler och deras väljare, proteiner, membran komponenter och eventuellt en mängd olika coenzymer, som ofta nämns som delar av katalytisk arsenalen av RNA-värld.

Slutligen, protometabolism måste ha varit kongruenta med nuvarande ämnesomsättning, det är, det måste ha följt vägar liknar dagens ämnesomsättning, även om det inte använder exakt samma material eller reaktioner. Många abiotiska-kemi experter håller inte med om det, vilket jag dock ser som verkställs av den sekventiella sätt på vilket enzym som katalysatorer för metabolism måste ha uppstått och antagits. För att vara användbar och ger en selektiv fördel till mutant protocell inblandade, varje nytt enzym måste ha funnit ett eller flera ämnen att agera och ett utlopp för sin produkt eller produkter. Med andra ord, den reaktion det katalyserade måste monteras i protometabolic nätverk. För att vara säker på att, som flera enzymer som tillkommit och började bygga sina egna nätverk, nya vägar kan ha utvecklats, men bara som en förlängning av vad som ursprungligen var ett sammanhängande nätverk.

Thioester Världen

Det kan mycket väl vara så då, att ledtrådar till vilken typ av tidiga protometabolism finns inom modern ämnesomsättning. Flera förslag av detta slag har gjorts. Mina kretsar kring bandet mellan svavel och kol – -innehållande enhet som kallas en acyl-gruppen, vilket ger en förening som kallas en thioester. Jag läser thioester bond som urtida i utvecklingen av livet. Låt mig först kort redogöra för mina skäl.

En thioester former när en tiolen (vars allmänna form är skriven som en ekologisk grupp, R, bundna med svavel och väte, alltså R-SH) förenar sig med en karboxylsyra (R-COOH). En vattenmolekyl (H2O) är släppt i processen, och vad som återstår är en thioester: R-S-CO-R”. Överklagandet i detta band är, för det första, dess ingredienser är sannolikt delar av prebiotic soppa. Aminosyror och andra karboxylsyror är de mest framträdande ämnen som finns både i Miller ‘ s kolvar och i meteoriter. Å andra sidan, tioler kan förväntas uppstå lätt i den typ av vulkanisk miljö, rika på vätesulfid (H2S), som sannolikt har hittats på prebiotic jorden. Gå med dessa beståndsdelar i thioesters skulle ha energi som krävs. Det finns flera tänkbara mekanismer för detta, som jag ska ta upp senare. För närvarande, låt oss anta thioesters var närvarande. Vad kunde de ha gjort?

Den thioester bond är vad biokemister kallar en hög energi bond, motsvarande fosfat obligationer i adenosintrifosfat (ATP), som är den största leverantören av energi i alla levande organismer. Det består av adenosinmonofosfat (AMP)–faktiskt en av de fyra kvävebaserna som RNA är gjort-som för två fosfatgrupper är ansluten. Dela någon av dessa två fosfat obligationer i ATP genererar energi, vilka bränslen de allra flesta av biologiska energi kräver fenomen. I sin tur, ATP måste återskapas för arbete att fortsätta.

Det är avslöjande att thioesters är obligatoriska intermediärer i flera viktiga processer i vilka ATP används antingen eller regenereras. Thioesters är involverade i syntesen av alla estrar, inklusive de som finns i komplexa lipider. De deltar också i syntesen av en rad andra cellulära komponenter, inklusive peptider, fettsyror, steroler, terpener, porfyriner och andra. Dessutom thioesters bildas som viktiga intermediärer i flera särskilt gamla processer som resulterar i församlingen av ATP. I båda dessa fall, thioester är närmare än anpassningen till den process som använder eller ger energi. Med andra ord, thioesters kunde faktiskt ha spelat rollen av ATP i en thioester världen initialt saknar ATP. Så småningom, deras thioesters kunde ha tjänat till att inleda ATP genom dess förmåga att stödja bildandet av obligationer mellan fosfat-grupper.

Bland de ämnen som bildas från thioesters i dagens organismer finns ett antal bakteriella peptider som gjorts av så många som 10 eller fler aminosyror. Detta upptäcktes vid slutet av tysk-Amerikansk biokemist Fritz Lipmann, “fader bioenergetik,” mot slutet av 1960-talet. Men även innan, Theodor Wieland Tyskland hade hittat 1951 peptider som bildas spontant från thioesters av aminosyror i vattenlösning.

Samma reaktion som kan förväntas hända i en thioester världen, där aminosyror var närvarande i form av thioesters. Bland de resulterande peptider och liknande multi-enhet makromolekyler, som jag vill kalla multimers för att understryka deras kemiska heterogenitet, ett antal molekyler kunde ha varit strukturellt och funktionellt liknar små katalytiska proteiner som invigdes ämnesomsättning. Jag föreslår därför att multimers härrör från thioesters som första enzym som katalysatorer för protometabolism.

Den thioester världen utgör därmed en hypotetisk tidigt skede i utvecklingen av liv som kunde ha gett den energiska och katalytisk ramen för protometabolic uppsättning primitiva kemiska reaktioner som ledde från första byggstenarna i livet att RNA-världen och därefter ihållande RNA-världen tills ämnesomsättning tog över.

Denna hypotes innebär att thioesters kan bildas spontant på prebiotic jorden. Församlingen från serbien och fettsyror skulle kunna ha skett, även om i mycket låg avkastning, i en varm, sura medel. De kan också bildas i avsaknad av vatten, till exempel i atmosfären. Kanske en mer trolig möjlighet är att thioesters bildas, som de gör i dagens värld, genom reaktioner kopplade till vissa energi-ger processen. Amerikansk kemist Arthur Weber, tidigare i Salk Institute, nu vid NASA Ames Research Center i Kalifornien, har beskrivit flera enkla mekanismer av detta slag som kan ha verkat under primitiva jorden villkor.

Så långt, att dessa idéer är mycket spekulativa, stöds till stor del av behovet av kongruens mellan protometabolism och metabolism av de viktigaste-och förmodligen antika–roller spelas av thioesters i dagens ämnesomsättning, och av den sannolika förekomsten av thioesters på prebiotic jorden. Men vissa experimentella bevis har erhållits som stöder thioester-världen modell.

Jag har redan nämnt arbete Wieland, Lipmann och Weber. Nyligen, mycket suggestiva bevis har kommit från laboratoriet av Miller, där forskare har erhållits inom rimlig prebiotic villkor de tre molekyler—cysteamine, b-alanin och pantoic syra—att göra upp en naturlig substans som kallas pantetheine. De har också observerats redo bildandet av denna förening från sina tre byggstenar under prebiotic villkor. Det råkar vara så att pantetheine är den viktigaste biologiska tiolen, en katalytisk deltagare i en stor majoritet av de reaktioner som involverar thioester obligationer.

En kosmisk imperati

Jag har försökt här för att se några av de fakta och idéer som övervägs för att redogöra för de tidiga stadierna i den spontana uppkomsten av liv på jorden. Hur mycket av den hypotetiska mekanismer anses som kommer att stå sig genom tiderna är inte känt. Men en affirmation kan säkert göras, oavsett vilken typ av processer som genereras liv. Dessa processer måste ha varit mycket deterministisk. Med andra ord, dessa processer var oundvikliga under de förhållanden som existerade på prebiotic jorden. Dessutom, dessa processer är skyldig att ske på samma sätt oavsett var och när liknande villkor som få. Detta måste vara så eftersom de är kemiska processer och är därför styrs av deterministiska lagar som styr kemiska reaktioner och göra dem reproducerbara.

Det förefaller också sannolikt att liv skulle uppstå var som helst liknande förutsättningar finns eftersom många på varandra följande steg ingår. En enda, freak, mycket osannolik händelse kan tänkas ske. Många mycket osannolika händelser—rita en vinnande lotteri nummer eller distribution av att spela kort i en hand bridge—händer hela tiden. Men en rad osannolika händelser—samma lotteri nummer att dras två gånger eller samma bro hand ges ut två gånger i rad—inte sker naturligt.

Alla som leder mig till slutsatsen att livet är en obligatorisk manifestation av materia, kommer att uppstå där förhållandena är lämpliga. Tyvärr, tillgängliga tekniken inte tillåter oss att ta reda på hur många webbplatser som erbjuder lämpliga villkor i vår galax, låt ensamma i universum. Enligt de flesta experter som har funderat över problemet—särskilt i samband med Sökandet efter Utomjordisk Intelligens projektet—det bör finnas gott om sådana platser, kanske så många som en miljon per galaxy. Om dessa experter är rätt, och om jag har rätt, måste det finnas ungefär lika många foci av liv i universum. Livet är en kosmisk nödvändighet. Universum är full med liv.