Informacja

Jakie istnieją teorie na temat organizowania samoreplikujących się cząsteczek w pierwsze komórki?

Jakie istnieją teorie na temat organizowania samoreplikujących się cząsteczek w pierwsze komórki?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kiedy byłem studentem biologii we wczesnych latach 90-tych, to, czego się nauczyłem i przeczytałem, wydawało się wskazywać na lukę w teoriach dotyczących początków życia. Oczywiście nie było żadnych prawdziwych dowodów na to, jak powstały pierwsze samoreplikujące się makrocząsteczki, ale było wiele rozsądnych teorii. Jednym, który szczególnie utkwił mi w głowie, był pomysł Grahama Cairnsa-Smitha, że ​​replikacja rozpoczęła się na przykład od efektywnej rywalizacji o przestrzeń między wolno rosnącymi strukturami krystalicznymi.

Kiedy już mamy coś, co luźno przypomina komórkę, możemy oczywiście odwołać się do naszego rozumienia ewolucji darwinowskiej, aby wyjaśnić, w jaki sposób te wczesne komórki różnicowały się i rozwijały w różnorodność życia, którą widzimy dzisiaj. Ale jako student wydawało się, że brakuje pomysłów na to, jak moglibyśmy przejść z makrocząsteczek do komórek. Nie jest to mały krok: wymaga zlokalizowania naszych makrocząsteczek, zamknięcia ich w błonie i rozpoczęcia współpracy w celu utworzenia podstawowych łańcuchów metabolicznych.

Opuściłem akademię po kilku latach pracy na ławce, ale pewnego dnia ponownie uderzyło mnie to pytanie i zastanawiałem się, czy istnieją jakieś teorie lub dowody na to przejście, które pojawiły się w międzyczasie? Szybkie wyszukiwanie w Google nie wykazało niczego poza tymi samymi niejasnymi frazesami o obudowach samoreplikującego się RNA, z niewielkim wyjaśnieniem, jak to się mogło stać. Znalazło to również to pytanie na Biology SE - Jak powstał pierwszy samoreplikujący się organizm? - ale to dotyczy początkowej abiogenezy, a nie wczesnych komórek.

Czy są jeszcze jakieś aktualne pomysły?

EDYCJA: Poproszono o wyjaśnienie. Powiązane pytanie – i informacje gdzie indziej – skupiają się na szerokim zagadnieniu abiogenezy i szukają dowodów. Pytam o bardzo konkretny etap procesu, między replikującymi się molekułami a pierwszymi strukturami podobnymi do komórek. Zdaję sobie również sprawę, że dowody są mało prawdopodobne i proszę o wiarygodną teorię.

Nie jestem do końca pewien, dlaczego to nie jest jasne ani dlaczego otrzymuję bliskie głosy.


Jakie istnieją teorie na temat organizowania samoreplikujących się cząsteczek w pierwsze komórki? - Biologia

  1. Biochemia to nie przypadek. Nieuchronnie wytwarza złożone produkty. Wiadomo nawet, że aminokwasy i inne złożone cząsteczki tworzą się w kosmosie.

  • Panspermia, która mówi, że życie pochodzi z innego miejsca niż ziemia. Ta teoria jednak nadal nie odpowiada, jak powstało pierwsze życie.
  • Mikrosfery proteinoidowe (Fox 1960, 1984 Fox i Dose 1977 Fox i wsp. 1995 Pappelis i Fox 1995): Ta teoria daje wiarygodne wyjaśnienie, w jaki sposób mogły powstać pewne replikujące się struktury, które można by nazwać żywymi. Jej główną trudnością jest wyjaśnienie, jak z mikrosfer powstały współczesne komórki.
  • Kryształy gliny (Cairn-Smith 1985): To mówi, że pierwszymi replikatorami były kryształy w glinie. Chociaż nie mają metabolizmu ani nie reagują na środowisko, kryształy te przenoszą informacje i rozmnażają się. Ponownie, nie jest znany mechanizm przejścia z gliny do DNA.
  • Pojawiające się hipercykle: Proponuje to stopniowe powstawanie pierwszego życia, mniej więcej w następujących etapach: (1) pierwotna zupa prostych związków organicznych. Wydaje się to być prawie nieuniknione (2) nukleoproteiny, trochę jak współczesne tRNA (de Duve 1995a) lub kwas peptydowy -replikacja (4) hipercykli komórkowych, w których bardziej złożone hipercykle są zamknięte w prymitywnej błonie (5) pierwsza prosta komórka. Teoria złożoności sugeruje, że samoorganizacja nie jest nieprawdopodobna. Ten pogląd na abiogenezę jest obecnie faworytem.
  • Świat żelaza i siarki (Russell i Hall 1997 Wächtershäuser 2000): Stwierdzono, że wszystkie etapy konwersji tlenku węgla w peptydy mogą zachodzić w wysokiej temperaturze i ciśnieniu, katalizowane przez siarczki żelaza i niklu. Takie warunki istnieją wokół podwodnych kominów hydrotermalnych. Wytrącenia siarczku żelaza mogły służyć jako prekursory ścian komórkowych, a także katalizatory (Martin i Russell 2003). Cykl peptydowy, od peptydów do aminokwasów iz powrotem, jest warunkiem wstępnym metabolizmu i taki cykl mógł powstać w świecie żelazowo-siarkowym (Huber et al. 2003).
  • Polimeryzacja na osłoniętych powierzchniach organofilowych (Smith et al. 1999): Pierwsze samoreplikujące cząsteczki mogły powstać w niewielkich wgłębieniach powierzchni bogatych w krzemionkę, tak że otaczająca skała była pierwszą ścianą komórkową.
  • Coś, o czym nikt jeszcze nie pomyślał.

Badanie pochodzenia komórek odbywa się w gorącej wodzie

Naukowcy przez dziesięciolecia próbowali odtworzyć warunki i związki, które według nich były niezbędne do wyewoluowania pierwszej żywej komórki. Ich eksperymentalne niepowodzenia wspólnie wysłały jasny sygnał, że takie zdarzenie jest niezwykle mało prawdopodobne, a nawet niemożliwe.

Mimo to wielu naukowców nadal poszukuje źródeł życia za pomocą ściśle naturalnych środków &mdash, ostatnio w podmorskich kominach hydrotermalnych. Więcej.

Źródło obrazu: Paul Harrison


Samoorganizacja w różnych skalach: od cząsteczek do organizmów

Tworzenie uporządkowanych struktur ze środowisk chaotycznych leży u podstaw procesów biologicznych na poziomie subkomórkowym, komórkowym i organizmowym. Z tej perspektywy badamy fizyczne i biologiczne cechy dwóch głównych koncepcji napędzających samoorganizację, a mianowicie przejścia fazowego i reakcji-dyfuzji, zanim zakończymy dyskusją na temat otwartych pytań i przyszłych wyzwań związanych z badaniem systemów samoorganizujących się.

Ten artykuł jest częścią numeru tematycznego „Samoorganizacja w biologii komórki”.

1. Wstęp

Często stosowaną definicją samoorganizacji jest dynamiczne wyłanianie się porządku ze zbiorowego zachowania poszczególnych podmiotów [1]. W konsekwencji samoorganizacja może zachodzić w różnych skalach czasowych i długości. Z termodynamiki nierównowagowej [2] od dawna wiadomo było, że układ utrzymywany poza równowagą może samoorganizować się, tworząc oscylacje, fale chemiczne i wzorce stacjonarne [3–5]. Co ciekawe, żywy organizm, napędzany hydrolizą ATP i GTP, również można uznać za układ daleki od równowagi [6–8]. Na kolejnych stronach osobno omówimy zasady kierujące samoorganizacją w układach biologicznych, skupiając się głównie na przejściu fazowym i reakcji-dyfuzji. W przypadku obu koncepcji najpierw przedstawimy zasady leżące u podstaw samoorganizacji z perspektywy fizycznej, przed omówieniem biologicznych przykładów na poziomie molekularnym, komórkowym i organizmowym. Następnie zastanowimy się nad korzyściami płynącymi z takich samoorganizujących się struktur w żywym systemie, zanim zakończymy otwartymi pytaniami i przyszłymi wyzwaniami.

2. Przejście fazowe: od stanu nieuporządkowanego do uporządkowanego

(a) Przejście fazowe z perspektywy fizycznej

Przejście fazowe opisuje zdolność systemu fizycznego do przełączania się między różnymi stanami, co skutkuje zmianą ogólnego zachowania zbiorowego lub niektórych wewnętrznych właściwości całego systemu. Aby wprowadzić podstawową zasadę, chcielibyśmy zacząć od małego eksperymentu myślowego. Załóżmy, że układ złożony jest z identycznych pierwiastków, które dyfundują, napędzane ruchem Browna, swobodnie przez ośrodek. Zgodnie z zasadami klasycznej mechaniki statystycznej, w całkowicie losowym środowisku składającym się z identycznych elementów prawdopodobieństwo dla każdej możliwej kombinacji jest równe. Zatem prawdopodobieństwo posiadania takiego systemu w stanie x jest

(i) Przykład 1 — gęstość i przejście fazowe

Poniżej przedstawiamy jeden przykład tego, jak może powstać uporządkowany, samoorganizujący się system. Jak wyżej, rozważamy układ dyssypatywny złożony z nieskończonej liczby identycznych elementów A. Mamy więc

Teraz uwzględnijmy oddziaływanie typu kulombowskiego z entalpią reakcji i ) i krobić proporcjonalny do szumu termicznego w systemie. Dla uproszczenia zakładamy ponadto, że zarówno szum termiczny, jak i grobić, która reprezentuje entropię bez wiązania wewnętrznego, pozostaje stała. Następnie powoli zwiększamy gęstość pierwiastków w układzie. W początkowym scenariuszu nie istnieją żadne interakcje wewnętrzne ze względu na bardzo niską gęstość A (rysunek 1a, górny panel w kolorze niebieskim). Mamy więc , i . Intuicyjnie ma to sens, ponieważ prawdopodobieństwo stworzenia porządku w hałaśliwym systemie przy braku interakcji jest bardzo mało prawdopodobne. Następnie załóżmy, że nieznacznie zwiększamy interakcje wewnętrzne, podnosząc gęstość A (rysunek 1a, górny panel w kolorze zielonym). W szczególności zmniejszamy , zwiększając w ten sposób siłę oddziaływania do punktu, który . W tych warunkach uzyskujemy i . Na pierwszy rzut oka wydaje się to sprzeczne z intuicją, ponieważ faza uporządkowana i nieuporządkowana mają taką samą energię. Ponieważ jednak następuje parametr order i , relacja jest spełniona, gdy od . Zatem w stanie ustalonym system będzie oscylował z równym prawdopodobieństwem pomiędzy fazami uporządkowanymi i nieuporządkowanymi. Wreszcie silnie zwiększamy gęstość, maksymalizując w ten sposób potencjał interakcji, tak aby (rysunek 1a, górny panel w kolorze żółtym). Zmniejszy się to , powodując z i . W tych warunkach system sam się zatrzyma w zorganizowanym państwie.

Rysunek 1. Samoorganizacja w różnych skalach poprzez przejścia fazowe zależne od gęstości. (a) Profile energetyczne przedstawiające przejście fazowe w różnych gęstościach (u góry) i po wprowadzeniu oddziaływań nieliniowych (u dołu). (b) Przemiany fazowe zależne od gęstości w przesuwających się włóknach aktynowych. Ścieżki (góra) i kierunkowość (środek) znakowanych rodaminą filamentów aktynowych naniesionych na unieruchomioną miozynę odpowiednio w niskim stężeniu (lewe panele) i wysokim stężeniu (prawe panele). Na dole wykreślono wyrównanie zależne od gęstości (wskazane przez statystykę Kuipera (KS)) jako funkcję długości filamentu aktynowego. (C) Przemiany fazowe zależne od gęstości w zbiorowej migracji keratynocytów. Komórki wysiano w ilości 1,8 (góra, lewa), 5,3 (góra, środek) i 14,7 (góra, prawa) komórek/10 000 µm2. Śledzenie migracji komórek (panele środkowe) oraz analiza parametru porządku (na dole) pokazują zależne od gęstości przejście od losowej do zbiorowej migracji komórek. (D) Przemiany fazowe zależne od gęstości w zachowaniu ławic ryb. Typowe konfiguracje w ławicach ryb to stan rojowy, stan spolaryzowany i mielenie. Poniżej, na podstawie polaryzacji i rotacji poszczególnych zwierząt w grupach, wykreślono przejścia fazowe dla poszczególnych zagęszczeń ryb. Obrazy zostały uzyskane z (b) [9], (C) [10] i (D) [11].

(ii) Przykład 2 — przejście fazowe w układach dyssypatywnych

Jak zilustrowano w Przykładzie 1, przejście fazowe można osiągnąć zmieniając gęstość A. Jednak profile energetyczne są statyczne dla danych warunków. Jak zatem może powstać dynamiczny, samoorganizujący się system bez zmiany parametrów zewnętrznych? Można to osiągnąć poprzez wprowadzenie do systemu nieliniowości. W naszym drugim przykładzie zrobimy to, dołączając drugiego agenta B (rysunek 1a, na dole), gdzie , i liczba dodatnia n określa siłę pętli sprzężenia zwrotnego. Teraz możemy pisać

Ponieważ zdezorganizowany system absorbuje wolny czynnik B (rysunek 1a, panel dolny na niebiesko), nowy B wchodzi do układu z podłączonego zbiornika. Wynikający wzrost [B(T)] prowadzi do zmniejszenia i podwyższenia , tworząc w ten sposób pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego. W konsekwencji system przechodzi w stan zorganizowany (rysunek 1a, dolny panel na żółto), podsumowując w ten sposób zjawiska samoorganizacji układu rozpraszającego z dala od równowagi termodynamicznej.

(b) Przejście fazowe z perspektywy biologicznej

Przemiana fazowa białek w roztworze została opisana ponad 40 lat temu [12]. Od tego czasu ustalono, że białka w roztworze mogą tworzyć kryształy i polimery, a także żele i gęste ciecze [13]. Tutaj głównymi składnikami energii swobodnej (tj. entalpii) przemiany fazowej są struktury wody na powierzchni cząsteczki [14] oraz właściwości białek, takie jak ładunki powierzchniowe [15]. Podobnie rozdział faz jest ważną koncepcją organizacji lipidów [16] i białek [17] w błonach. Co ciekawe, ostatnie prace sugerują, że przejścia fazowe zachodzą również na poziomie komórkowym, gdzie na przykład stany płynne zaobserwowano dla ciał P [18], jąderek [19] i ziarnistości naprężeniowych [20]. Co ciekawe, opisano również, że przejście fazowe i separacja faz odgrywają istotną rolę na poziomie wielokomórkowym, gdzie różnice w sile adhezji między różnymi typami komórek mogą prowadzić do tworzenia wzorców [21] lub zbiorowych przegrupowań komórek [22, 23]. Biorąc pod uwagę, że przejście fazowe cząsteczek i komórek jest przedmiotem kilku perspektyw w tym wydaniu, odsyłamy czytelników zainteresowanych dokładniejszym poznaniem tego tematu do tych esejów, a także do innych recenzji na ten ekscytujący temat [14, 24].

Zaobserwowano również przejścia fazowe w celu koordynowania ruchu poszczególnych agentów. Eksperymenty oparte na samobieżnych cząstkach, w których drgania są wykorzystywane do tworzenia ruchu obiektów makroskopowych, wykazały, że kontakt i kształt są wystarczające do wywołania zbiorowego zachowania [25,26]. Podobnie przejście fazowe zależne od gęstości można również zaobserwować w przypadku filamentów aktynowych in vitro [9]. Użycie dwuwymiarowego testu ruchliwości z unieruchomioną miozyną, na której mogą poruszać się filamenty aktynowe, wykazało samoorganizację, która objawiała się równoległym ułożeniem filamentów aktynowych w sposób zależny od gęstości (ryc. 1b). Warto zauważyć, że przesuwanie włókien przyjmuje preferowaną orientację w gęstościach występujących w żywych komórkach, podczas gdy orientacja rozciąga się na skale długości podobne do rozmiarów komórek ssaków. Przejście fazowe zależne od gęstości można również zaobserwować na poziomie zbiorowego ruchu komórek. Na przykład zaobserwowano przejście od stanu zdezorganizowanego do zorganizowanego dla poruszających się keratynocytów ryb (ryc. 1C) [10]. Co ważne, niezależne prace teoretyczne oparte na modelu ucieczki i wychwytywania dowodzą, że zależne od gęstości przejście fazowe w zbiorowej migracji komórek nie koreluje z siłą interakcji komórka-komórka [27]. Wreszcie przejście fazowe można zaobserwować również na poziomie organizmu. Tutaj przemiany fazowe zachodzą w odpowiedzi na zmiany wielkości lub gęstości populacji (rysunek 1D) u ryb [11], mrówek [28] i szarańczy [29]. Co więcej, zmiany w zachowaniu osobników w roju są wystarczające do wywołania przejścia fazowego, na przykład podczas ekspansji błyskowej w przypadku ekspozycji na drapieżniki [30]. Jest to istotne, ponieważ sugeruje, że roje przechodzą w zależności od bodźca między różnymi stanami zbiorowymi [31], tworząc w ten sposób złożone zdecentralizowane relacje wejścia-wyjścia. Jednak dokładne określenie energii fizycznej tak złożonych systemów nie zawsze jest możliwe. Tak więc niektóre zjawiska, zwłaszcza w układach wielokomórkowych, można lepiej traktować jako rodzaj przejścia fazowego z wykorzystaniem energii konceptualnej. Czytelników zainteresowanych tym tematem odsyłamy do doskonałych recenzji opublikowanych w innych miejscach [32,33].

3. Mechanizmy reakcji-dyfuzji

(a) Reakcja-dyfuzja z perspektywy fizycznej

Napędzana ruchem Browna, każda reakcja chemiczna podlega dyfuzji. Co ciekawe, w określonych warunkach systemy reakcji-dyfuzji mogą tworzyć złożone wzory z chaotycznych warunków początkowych. W tej sekcji rozwiniemy podstawową ideę systemów reakcyjno-dyfuzyjnych. Najprostszym równaniem układu reakcyjno-dyfuzyjnego jest układ jednoskładnikowy z jedną reakcją i członem dyfuzji


Jakie istnieją teorie na temat organizowania samoreplikujących się cząsteczek w pierwsze komórki? - Biologia

Żywe istoty (nawet starożytne organizmy, takie jak bakterie) są niezwykle złożone. Jednak cała ta złożoność nie wyskoczyła w pełni z pierwotnej zupy. Zamiast tego życie prawie na pewno powstało w serii małych kroków, z których każdy opierał się na złożoności, która ewoluowała wcześniej:

    Powstały proste cząsteczki organiczne.
    Proste cząsteczki organiczne, podobne do pokazanego poniżej nukleotydu, są budulcem życia i musiały być zaangażowane w jego powstanie. Eksperymenty sugerują, że cząsteczki organiczne mogły zostać zsyntetyzowane w atmosferze wczesnej Ziemi i spadły do ​​oceanów. Cząsteczki RNA i DNA – materiał genetyczny na całe życie – to tylko długie łańcuchy prostych nukleotydów.

Wielu biologów stawia hipotezę, że ten krok doprowadził do „świata RNA”, w którym RNA wykonywało wiele zadań, przechowując informacje genetyczne, kopiując się i wykonując podstawowe funkcje metaboliczne. Dziś zadania te są wykonywane przez wiele różnych rodzajów cząsteczek (głównie DNA, RNA i białka), ale w świecie RNA RNA zrobił to wszystko.

Samoreplikacja otworzyła drzwi do doboru naturalnego. Po utworzeniu samoreplikującej się molekuły, niektóre warianty tych wczesnych replikatorów lepiej by się kopiowały niż inne, dając więcej „potomstwa”. Te superreplikatory stałyby się bardziej powszechne – to znaczy, dopóki jeden z nich nie został przypadkowo zbudowany w sposób, który pozwoliłby mu stać się super-super-replikatorem – a potem że przejmie wariant. Dzięki temu procesowi ciągłej selekcji naturalnej niewielkie zmiany w replikujących się molekułach ostatecznie kumulowały się, aż wykształcił się stabilny, wydajny system replikujący.


Optymalność w samoorganizującym się sortowaniu molekularnym

Komórka eukariotyczna jest podstawową jednostką zwierząt i roślin. Pod mikroskopem wygląda na wysoce uporządkowaną i podzieloną na wiele przedziałów związanych z błoną. Każdy przedział ma określoną funkcję, a jego błonę wypełniają określone cząsteczki. W jaki sposób komórka zachowuje ten niesamowity wewnętrzny porządek i (przy braku patologii) nie rozpada się na bezkształtną wiązkę molekuł? Takiej degradacji przeciwdziała ciągły proces sortowania molekularnego, w którym podobne cząsteczki są gromadzone i wysyłane do „właściwych” miejsc, podobnie jak ma to miejsce, gdy dom jest utrzymywany w czystości i porządku dzięki codziennym obowiązkom. Wciąż jednak zagadką jest, jak żywa komórka może wykonać to zadanie bez kierującego nią przełożonego.

W ostatnich Fizyczne listy kontrolne , we współpracy naukowców z Politecnico di Torino, Università di Torino, Włoskiego Instytutu Medycyny Genomicznej – IIGM, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – INFN oraz Instytutu Fizyki Teoretycznej Landaua (Moskwa), stawia hipotezę, że ten proces sortowania molekularnego wynika z połączenie dwóch spontanicznych mechanizmów. Pierwszym mechanizmem jest skłonność podobnych molekuł do agregowania na błonach w postaci „platek” lub „kropelek” w taki sam sposób, jak kropelki wody tworzą się w chłodzonej chmurze pary. Drugim mechanizmem jest tendencja takich kropel do zginania błony, co prowadzi do tworzenia i dalszego odrywania się małych pęcherzyków wzbogaconych w składniki molekularne pierwotnych kropelek. Różne przedziały błonowe komórki eukariotycznej działają więc podobnie do naczyń i rurek naturalnego gorzelnika, czyli alembika, który nieustannie sortuje i przekierowuje składniki molekularne w odpowiednie miejsca.

W opublikowanej pracy ten proces sortowania molekularnego jest badany za pomocą narzędzi matematycznych i symulacji komputerowych, pokazując, że skłonność do agregacji jest głównym parametrem kontrolnym tego procesu. Dla każdej grupy cząsteczek istnieje optymalna wartość tego parametru (ani za duża, ani za mała), tak aby proces sortowania przebiegał z maksymalną możliwą prędkością. W rzeczywistości do napędzania procesu potrzebna jest pewna skłonność do agregacji molekularnej, ale gdy skłonność do agregacji jest zbyt duża, cząsteczki „zamarzają” w dużej liczbie małych kropelek, które rosną bardzo powoli, a ogólny proces sortowania spowalnia. Obserwacje doświadczalne tego procesu destylacji w komórkach izolowanych z naczyń krwionośnych pępowiny człowieka potwierdzają ten teoretyczny obraz i sugerują, że ewolucja mogła doprowadzić komórki do pracy w obszarze parametrów optymalnych, gdzie proces sortowania osiąga maksymalną wydajność.

Te odkrycia są szczególnie interesujące, ponieważ nieprawidłowa regulacja sortowania molekularnego jest cechą charakterystyczną poważnych patologii, takich jak rak. Teoretyczna identyfikacja parametrów kontrolujących proces jest ważnym pierwszym krokiem w kierunku lepszego zrozumienia pochodzenia takich zaburzeń i opracowania terapii.


Śmierć, starzenie się, odmłodzenie (część 2)

Śmierć. Dlaczego tak się dzieje? Dlaczego umieramy? Dlaczego zwierzęta umierają? Dlaczego rośliny umierają? Jaka jest tego potrzeba? Moim zdaniem mechanizm śmierci został wybrany podczas Ewolucji.

Z pozycji teorii doboru naturalnego Darwina wszystko, co sprzyja przetrwaniu gatunków i daje przewagę w doborze naturalnym, zostaje zachowane w kolejnych pokoleniach.

Ulepszenia często pozostawały niezmienione od momentu pojawienia się życia. Chociaż mogły istnieć inne sposoby, pewne mechanizmy zostały wybrane przypadkowo. Te ulepszenia są odtwarzane w genomie bardziej złożonych gatunków. Miliardy lat temu, zgodnie z teorią ewolucji, chemikalia losowo organizowały się w samoreplikującą się cząsteczkę.

Oświetlenie i promieniowanie UV pomogły w stworzeniu pierwszych cząsteczek organicznych. Zjawisko to można odtworzyć w laboratorium. Eksperymenty zostały opisane w latach 1950-60.

Pierwszymi samoreplikującymi się cząsteczkami były prawdopodobnie RNA. Pierwszymi enzymami były prawdopodobnie RNA - enzymy. Potem na scenie pojawiły się białka, DNA i bardziej złożone cząsteczki lipidów i polisacharydy.

Śmierć taka, jaka jest, nie istniała na etapie Zupy Pradawnej. Pewnie, że niektóre molekuły organiczne zostały zniszczone, inne stworzone. Ale generalnie wciąż był to ten wirujący i bulgoczący bulion pierwotny - quasi żywy w naszym rozumieniu jako mieszanina reakcji biochemicznych.

Wszystko w ewolucji zostało zbudowane z poprzednich bloków wybranych kiedyś przez przypadek.

Pojawienie się błon lipidowych pozwala na kompartmentalizację bulionu pierwotnego i tworzenie pierwszych komórek.

Na etapie komórkowym mogliśmy już mówić o Śmierci. Komórka jest zniszczona, błona pęknięta, wszystko wyciekło. To jest Śmierć.

Naświetlana jest zawartość komórki wewnątrz błony lipidowej. Proces szalonego wirowania molekularnego jest nieodwracalnie zepsuty przez wolne rodniki. To także znaki Śmierci.

Jednak na etapie komórkowym nie możemy mówić o starzeniu się. Śmierć na tym etapie jest przypadkowa, nie zaprogramowana.

Cząsteczki organiczne mogą się starzeć (utlenianie, koniugacja itp.) i komórka umrze. Ale uszkodzona cząsteczka jest zwykle naprawiana lub syntetyzowana na świeżo. Dlatego nie ma powodu, aby organizm jednokomórkowy się starzał. Nieodwracalne szkody z przyczyn zewnętrznych prowadzą do śmierci, a nie starzenia się. To jest przypadkowa śmierć. W przypadku organizmów wielokomórkowych istnieje organizm rodzicielski, który starzeje się i ostatecznie umiera po urodzeniu się następnego pokolenia. W przypadku organizmu jednokomórkowego istnieje organizm rodzicielski, który dzieli się i staje się kolejnym pokoleniem. Nie ma starzenia prowadzącego do śmierci organizmu rodzicielskiego.

Organizmy jednokomórkowe są praktycznie nieśmiertelne w odpowiednim środowisku.

Mechanizm podziału został wybrany podczas ewolucji. Komórka ma objętość (3-D). Membranę powierzchniową mierzy się w jednostkach kwadratowych (2-D). Rosnące poza granice powodują niedostateczną podaż pożywienia ze środowiska. Podział rozwiązuje problem.

Mikroby, bakterie są nieśmiertelne. Niektórzy dzielą się co 20 minut. W ciągu godziny mnożą się 8 razy.

Komórki nowotworowe dzielą się wolniej. Są eukariontami. Najbardziej agresywny podział raz dziennie. Nie ma potrzeby starzenia.

Umrą, jeśli ich nie nakarmisz. Umierają, gdy zabijesz je nierozcieńczonym wybielaczem w kolbie. W przeciwnym razie stają się nie do powstrzymania. Bez starzenia.

Organizm wielokomórkowy podobno ma kilka mechanizmów kontrolnych, które zapobiegają nadmiernemu wzrostowi i podziałowi, zabijają dodatkową komórkę. Wykorzystywana jest apoptoza, zaprogramowana śmierć.

Komórki rakowe często tracą mechanizmy kontrolne.

Naukowiec z Yale zwrócił mi kiedyś uwagę, że nie możemy powiedzieć, że te komórki są nieśmiertelne. Może się dzielą i komórka rodzicielska umiera. W rzeczy samej. Podczas eksperymentów nie śledzimy losów każdej pojedynczej komórki. Powinni dawać więcej komórek dzieciom niż umierają komórki rodzicielskie. W przeciwnym razie nie byłoby mnożenia. To możliwy scenariusz. Nie śledzimy również losów poszczególnych bakterii. Może rzeczywiście ulegają starzeniu.

Z drugiej strony niektóre eksperymenty sugerują, że nowe komórki zawierają mniej więcej połowę komórki macierzystej po podziale.

Więc to nie jest śmierć ani starzenie się. Kolejne generacje zawierają 1/4, 1/8, 1/16 itd. komórki rodzicielskiej. Każdy mechanizm bardziej złożony niż prosty podział spowodowałby niekorzystne zmiany w ewolucji i zostałby szybko wyeliminowany. Na poziomie organizmu jednokomórkowego ani starzenie się, ani apoptoza nie mają większego sensu. Chociaż Natura często ma ukryte powody.

Zjawisko Flicka i skracanie się telomerów ma sens dla organizmu wielokomórkowego. Komórki organizmu wielokomórkowego starzeją się. Przestają się dzielić po około 70 dywizjach.

Organizm wielokomórkowy ma wyraźną przewagę nad organizmem jednokomórkowym.

Dlaczego mechanizm Śmierci miałby być wybrany dla organizmów wielokomórkowych? Scenariusz może być następujący.

Duży organizm ma więcej zalet niż mniejszy - stabilność, ochrona itp. Naturalnych wrogów wieloryba czy słonia ze względu na ich wielkość nie ma zbyt wielu. Duże zwierzęta mogą zostać zabite przez bakterie, wirusy, małe pasożyty i brak dostępnego pożywienia. Rzadki drapieżnik atakuje wieloryba lub słonia.

Nic dziwnego, że ewolucja szła w kierunku większych zwierząt – wystarczy spojrzeć na gigantyczne kości dinozaurów, a poczujecie uznanie.

Miliony lat temu nie tylko dinozaury, ale także owady czy skorupiaki były ogromne. Karaluchy, pająki lub ważki o wielkości jednego metra (3 stopy). Cofając się w czasie znajdujemy muszle ogromnych mięczaków. Wiele rzeczy sugeruje, że większe zwierzęta o niepowstrzymanym wzroście mają wiele zalet w porównaniu z małymi. Nowe gatunki często ewoluują pod względem wielkości. Przykładem jest przyspieszenie wzrostu u ludzi. Kobiety wolą wyższych partnerów, co prowadzi do wyższych dzieci. Niższe rośliny zwykle nie mogą konkurować z wyższymi formami na wolności. Niski mutant w gąszczu wysokich roślin byłby zacieniony

Podczas ewolucji wybrano również mechanizm reprodukcji. Każde nowe zwierzę, czy to mysz, czy człowiek, zaczyna życie jako pojedyncza komórka. Ta komórka różnicuje się i rozwija w kompletne zwierzę. Zapewnia to, że rzadka korzystna sekwencja wariantu DNA będzie szybko propagowana przez dobór naturalny. Dużo łatwiej jest się rozmnażać i być może uzyskać jakieś nowe geny lub korzystne mutacje, zaczynając od pojedynczej komórki, niż zaczynając od całego organizmu wielokomórkowego. Funkcje większości genów zostaną zoptymalizowane przez losowe mutacje punktowe i selekcję w dowolnym gatunku. Sygnalizacja między komórkami podczas procesu rozwoju zapewnia, że ​​wszystko trafi we właściwe miejsce. Niewielkie zmiany w tych procesach sygnalizacyjnych mogą mieć bardzo duży wpływ na powstałe zwierzę. Genom, posiadający najwyżej czterdzieści sześćdziesiąt tysięcy genów, jest w stanie określić powstanie ludzkiego ciała zawierającego biliony komórek, miliardy starannie okablowanych neuronów i setki różnych typów komórek, zdumiewająco wyrzeźbionych w narządy tak różne jak wątroba i mózg . Dlatego wybrano mechanizm proliferacji zapłodnionych oocytów.

Dlatego posiadanie młodszych (mniejszych) i starszych (większych) zwierząt ma sens.

Ale jest problem: dorosłe zwierzęta (lub rośliny) konsumują całe pożywienie i niewiele pozostaje dla następnego pokolenia.

Dlatego właśnie mechanizm Śmierci został wybrany jako środek do ustanowienia przez następne pokolenie.

Najpierw wybrano mechanizm proliferacji. Jeśli organizm jednokomórkowy nie posiada mechanizmu rozmnażania, nie produkuje potomstwa z możliwymi korzystnymi mutacjami. Powiedzmy, że w pierwotnej zupie powstały spontanicznie prymitywne bakterie. Tylko kilka z nich. Spożywają pożywienie, żyją szczęśliwie, praktycznie nieśmiertelni, ale nie dzielą się. Następnie podczas mutacji pojawił się zestaw enzymów. Zestaw umożliwia rozszczepianie się bakterii. Synteza nowego zestawu jest niekorzystna. Wymaga dodatkowej energii i odżywienia. Jednak zaleta podziału umożliwia natychmiastowe przerastanie nieproliferujących komórek przez nowe mutanty. Selekcja jest naprawdę bezwzględna.

Bakterie rosnące w probówce reprezentują mini ewolucję. Wszelkie bakterie, które pasują do środowiska, są również wybierane na podstawie prostoty. W toksycznym środowisku (antybiotyki) przetrwałyby zmutowane bakterie posiadające nowy mechanizm neutralizacji. Ale prostsze bakterie w końcu przerosną te skomplikowane. Chyba że komplikacje dają duże korzyści, które przewyższają korzyści płynące z prostoty. Inny przykład: wirus HIV jest bardzo złożony w porównaniu z innymi wirusami. Ale ze względu na złożoność unika odpowiedzi immunologicznej. Dlatego jest tak skuteczny. W przypadku ludzi toczyła się dyskusja, że ​​przepukliny są bezpośrednim problemem postawy wyprostowanej. Tak więc wyprostowana postawa prowadzi do niekorzystnej sytuacji. Z drugiej strony postawa wyprostowana uwalnia rękę, która pozwala na wytwarzanie narzędzi, a to daje ogromną przewagę w przetrwaniu w świecie przyrody, stwarzając możliwość przystosowania się do praktycznie każdych warunków.

Wszystkie wysokie zwierzęta mają tylko 4 kończyny. Oczywiście w bezwzględnym środowisku wystarczy. Wyhodowanie dodatkowych kilku kończyn zużyje znacznie więcej zasobów i zajmie znacznie więcej czasu, nie dając dużej przewagi w szybkości ani ochronie zwierzęcia. Tak więc niebezpieczeństwo utraty jednej kończyny nie jest tak duże, jak niebezpieczeństwo, że nie rozrośnie się wystarczająco szybko.

Dwustronny projekt większości zwierząt został wybrany na poziomie gatunków prymitywnych. Chociaż niższe organizmy wielokomórkowe mogą mieć symetrię 3-boczną lub symetrię 5-boczną, jak gwiazdy morskie. Często coś wybrane w selekcji staje się budulcem dla wyższych gatunków. Może 5-stronny symetryczny tygrys byłby możliwy, ale wymaga pośredniego łańcucha.

To samo dotyczy mechanizmu Śmierci. Raz wybrany jest replikowany we wszystkich wyższych organizmach. Powinno to dać przewagę w ostatecznym przetrwaniu gatunku. W przeciwnym razie straci sens, a gatunki zostaną zniszczone.

Jaka jest więc korzyść dla Śmierci?

Nieśmiertelne i bezdzietne zwierzęta rosną i rosną. Mutacje prowadzą do tego, że gatunki wytwarzają potomstwo. Mają wadę, że są bardziej złożone. Jednak zaletą rozmnażania się zwierząt jest zajmowanie większych obszarów. Wypierają gatunki nieśmiertelne i bezdzietne. Teraz, jeśli rozmnażające się zwierzęta są nieśmiertelne, nie dają potomstwu wystarczająco dużo miejsca ani pożywienia. Kolejne etapy mutacji przyniosły mechanizm zaprogramowanej śmierci w określonym wieku.

Rozważmy sytuację, kiedy z dwóch gatunków jeden jest nieśmiertelny i wydaje potomstwo, drugi jest śmiertelni również z potomstwem. Śmiertelność wygląda na oczywistą wadę w stabilnym środowisku. Organizmy dorosłe są silniejsze i lepiej chronione w porównaniu z organizmami młodocianymi.

Jednak następna katastrofa całkowicie wytępi wszystkie gatunki. Tylko niektóre mutanty mogą zaadaptować się do nowego środowiska. But "mutant" for a multicellular organism imply that the mutation happened when the organism had only one cell (the stage of fertilized oocyte for example). Otherwise it needs precisely the same mutations on the level of several cells - infinitely impossible event.

Thus, any species that had the mechanism to allow next generation to flourish (mechanism of programmed Death) will have advantage. They produce more offspring than immortal species. Death of parents spares the space and nutrition. Immortals can die form accidents only. It is too long for children to expect a vacancy.

Then, having more offspring automatically means having more mutations (by mere number of events). Having more mutations means more probability for adaptation to the new environment.

Immortal multicellular organisms, even if they existed in the past, were quickly wiped out by accidents and overgrown by mortal multicellular organisms.


Cellular Design and Its Evolution

The cell is the essence of biology. At least that is how 20th century molecular biology saw it, and the great goal was to understand how cells were organized and work. This goal, it was assumed, could be accomplished by cataloging (and characterizing) all of the parts of the mechanism, with the tacit assumption that given such a parts list the overall organization of the cell would become apparent. Today, such lists exist for several organisms. Yet an understanding of the whole remains as elusive a goal as ever (34).

The fault here lies with the reductionist perspective of molecular biology. The problem of cellular design cannot be fit into this rigid, procrustean framework. It should be obvious from the foregoing discussion that biological cell design is not a static, temporal, or local problem. Indeed, the problem cannot be understood (as opposed to described) apart from the evolution of that design.


What theories exist as to how self-replicating molecules organised into the first cells? - Biologia


The Primordial Soup Theory suggest that 3.8 billion to 3.55 billion years ago life began in a pond or ocean as a result of the combination of chemicals from the atmosphere and some form of energy to make amino acids, the building blocks of proteins, which would then evolve into the first species on Earth.

Primordial soup is a term introduced by the Soviet biologist Alexander Oparin. In 1924, he proposed the theory of the origin of life on Earth through the transformation, during the gradual chemical evolution of molecules that contain carbon in the primordial soup. Biochemist Robert Shapiro has summarized the "primordial soup" theory of Oparin and Haldane in its "mature form" as follows:

    1. The early Earth had a chemically reducing atmosphere.

2. This atmosphere, exposed to energy in various forms, produced simple organic compounds ("monomers").

3. These compounds accumulated in a "soup", which may have been concentrated at various locations (shorelines, oceanic vents etc.).

4. By further transformation, more complex organic polymers - and ultimately life - developed in the soup.

Whether the mixture of gases used in the Miller-Urey experiment truly reflects the atmospheric content of early Earth is a controversial topic. Other less reducing gases produce a lower yield and variety. It was once thought that appreciable amounts of molecular oxygen were present in the prebiotic atmosphere, which would have essentially prevented the formation of organic molecules however, the current scientific consensus is that such was not the case.

One of the most important pieces of experimental support for the "soup" theory came in 1953. A graduate student, Stanley Miller, and his professor, Harold Urey, performed an experiment that demonstrated how organic molecules could have spontaneously formed from inorganic precursors, under conditions like those posited by the Oparin-Haldane Hypothesis. The now-famous "Miller-Urey experiment" used a highly reduced mixture of gases - methane, ammonia and hydrogen - to form basic organic monomers, such as amino acids. This provided direct experimental support for the second point of the "soup" theory, and it is around the remaining two points of the theory that much of the debate now centers.

Apart from the Miller-Urey experiment, the next most important step in research on prebiotic organic synthesis was the demonstration by Joan Oro that the nucleic acid purine base, adenine, was formed by heating aqueous ammonium cyanide solutions.

In support of abiogenesis in eutectic ice, more recent work demonstrated the formation of s-triazines (alternative nucleobases), pyrimidines (including cytosine and uracil), and adenine from urea solutions subjected to freeze-thaw cycles under a reductive atmosphere (with spark discharges as an energy source).

The spontaneous formation of complex polymers from abiotically generated monomers under the conditions posited by the "soup" theory is not at all a straightforward process. Besides the necessary basic organic monomers, compounds that would have prohibited the formation of polymers were formed in high concentration during the Miller-Urey and Oro experiments. The Miller experiment, for example, produces many substances that would undergo cross-reactions with the amino acids or terminate the peptide chain.

More fundamentally, it can be argued that the most crucial challenge unanswered by this theory is how the relatively simple organic building blocks polymerize and form more complex structures, interacting in consistent ways to form a protocell. For example, in an aqueous environment hydrolysis of oligomers/polymers into their constituent monomers would be favored over the condensation of individual monomers into polymers.

Abiogenesis or biopoiesis is the natural process by which life arises from inorganic matter. The earliest known life on Earth existed between 3.9 and 3.5 billion years ago, during the Eoarchean Era when sufficient crust had solidified following the molten Hadean Eon.

Scientific hypotheses about the origins of life may be divided into several categories. Most approaches investigate how self-replicating molecules or their components came into existence. For example, the Miller-Urey experiment and similar experiments demonstrated that most amino acids, often called "the building blocks of life", can be racemically synthesized in conditions thought to be similar to those of the early Earth. Several mechanisms have been investigated, including lightning and radiation. Other approaches ("metabolism first" hypotheses) focus on understanding how catalysis in chemical systems in the early Earth might have provided the precursor molecules necessary for self-replication.

Researchers at the University of Leeds may have solved a key puzzle about how objects from space could have kindled life on Earth. While it is generally accepted that some important ingredients for life came from meteorites bombarding the early Earth, scientists have not been able to explain how that inanimate rock transformed into the building blocks of life.

This new study shows how a chemical, similar to one now found in all living cells and vital for generating the energy that makes something alive, could have been created when meteorites containing phosphorus minerals landed in hot, acidic pools of liquids around volcanoes, which were likely to have been common across the early Earth.

"The mystery of how living organisms sprung out of lifeless rock has long puzzled scientists, but we think that the unusual phosphorus chemicals we found could be a precursor to the batteries that now power all life on Earth. But the fact that it developed simply, in conditions similar to the early Earth, suggests this could be the missing link between geology and biology," said Dr Terry Kee, from the University's School of Chemistry, who led the research.

All life on Earth is powered by a process called chemiosmosis, where the chemical adenosine triphosphate (ATP), the rechargeable chemical 'battery' for life, is both broken down and re-formed during respiration to release energy used to drive the reactions of life, or metabolism. The complex enzymes required for both the creation and break down of ATP are unlikely to have existed on the Earth during the period when life first developed. This led scientists to look for a more basic chemical with similar properties to ATP, but that does not require enzymes to transfer energy.

Phosphorus is the key element in ATP, and other fundamental building blocks of life like DNA, but the form it commonly takes on Earth, phosphorus (V), is largely insoluble in water and has a low chemical reactivity. The early Earth, however, was regularly bombarded by meteorites and interstellar dust rich in exotic minerals, including the far more reactive form of phosphorus, the iron-nickel-phosphorus mineral schreibersite.

The scientists simulated the impact of such a meteorite with the hot, volcanically-active, early Earth by placing samples of the Sikhote-Alin meteorite, an iron meteorite which fell in Siberia in 1947, in acid taken from the Hveradalur geothermal area in Iceland. The rock was left to react with the acidic fluid in test tubes incubated by the surrounding hot spring for four days, followed by a further 30 days at room temperature.

In their analysis of the resulting solution the scientists found the compound pyrophosphite, a molecular 'cousin' of pyrophosphate - the part of ATP responsible for energy transfer. The scientists believe this compound could have acted as an earlier form of ATP in what they have dubbed 'chemical life'.

"Chemical life would have been the intermediary step between inorganic rock and the very first living biological cell. You could think of chemical life as a machine a robot, for example, is capable of moving and reacting to surroundings, but it is not alive. With the aid of these primitive batteries, chemicals became organized in such a way as to be capable of more complex behavior and would have eventually developed into the living biological structures we see today," said Dr Terry Kee.

The team from NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL-Caltech) working on the Curiosity rover, which landed on Mars in August last year, has recently reported the presence of phosphorus on the Red Planet. "If Curiosity has found phosphorus in one of the forms we produced in Iceland, this may indicate that conditions on Mars were at one point suitable for the development of life in much the same way we now believe it developed on Earth," added Dr Kee.

The team at Leeds are now working with colleagues at JPL-Caltech to understand how these early batteries and the 'chemical life' they became part of might have developed into biological life. As part of this work they will be using facilities in the University of Leeds' Faculty of Engineering, currently used to test new fuel cells, to build a 'geological fuel cell' using minerals and gases common on the early Earth. Researchers will apply different chemicals to its surface and monitor the reactions take place and the chemical products which develop.

The team also hope to travel to Disko Island in Greenland which is home to the Earth's only naturally-occurring source of schreibersite, the mineral found in the Sikhote-Alin meteorite. Here, they hope to repeat their experiments and show that the same chemicals develop in an entirely Earth-originated setting.


New Research Rejects 80-Year Theory of 'Primordial Soup' as the Origin of Life Science Daily - February 3, 2010

For 80 years it has been accepted that early life began in a 'primordial soup' of organic molecules before evolving out of the oceans millions of years later. Today the 'soup' theory has been over turned in a pioneering paper in BioEssays which claims it was the Earth's chemical energy, from hydrothermal vents on the ocean floor, which kick-started early life.

"Textbooks have it that life arose from organic soup and that the first cells grew by fermenting these organics to generate energy in the form of ATP. We provide a new perspective on why that old and familiar view won't work at all," said team leader Dr Nick lane from University College London. "We present the alternative that life arose from gases (H2, CO2, N2, and H2S) and that the energy for first life came from harnessing geochemical gradients created by mother Earth at a special kind of deep-sea hydrothermal vent -- one that is riddled with tiny interconnected compartments or pores."

The soup theory was proposed in 1929 when J.B.S Haldane published his influential essay on the origin of life in which he argued that UV radiation provided the energy to convert methane, ammonia and water into the first organic compounds in the oceans of the early earth. However critics of the soup theory point out that there is no sustained driving force to make anything react and without an energy source, life as we know it can't exist.

"Despite bioenergetic and thermodynamic failings the 80-year-old concept of primordial soup remains central to mainstream thinking on the origin of life," said senior author, William Martin, an evolutionary biologist from the Insitute of Botany III in Dusseldorf. "But soup has no capacity for producing the energy vital for life."

In rejecting the soup theory the team turned to the Earth's chemistry to identify the energy source which could power the first primitive predecessors of living organisms: geochemical gradients across a honeycomb of microscopic natural caverns at hydrothermal vents. These catalytic cells generated lipids, proteins and nucleotides which may have given rise to the first true cells.

The team focused on ideas pioneered by geochemist Michael J. Russell, on alkaline deep sea vents, which produce chemical gradients very similar to those used by almost all living organisms today -- a gradient of protons over a membrane. Early organisms likely exploited these gradients through a process called chemiosmosis, in which the proton gradient is used to drive synthesis of the universal energy currency, ATP, or simpler equivalents. Later on cells evolved to generate their own proton gradient by way of electron transfer from a donor to an acceptor. The team argue that the first donor was hydrogen and the first acceptor was CO2.

"Modern living cells have inherited the same size of proton gradient, and, crucially, the same orientation -- positive outside and negative inside -- as the inorganic vesicles from which they arose" said co-author John Allen, a biochemist at Queen Mary, University of London.

"Thermodynamic constraints mean that chemiosmosis is strictly necessary for carbon and energy metabolism in all organisms that grow from simple chemical ingredients [autotrophy] today, and presumably the first free-living cells," said Lane. "Here we consider how the earliest cells might have harnessed a geochemically created force and then learned to make their own." This was a vital transition, as chemiosmosis is the only mechanism by which organisms could escape from the vents. "The reason that all organisms are chemiosmotic today is simply that they inherited it from the very time and place that the first cells evolved -- and they could not have evolved without it," said Martin.

"Far from being too complex to have powered early life, it is nearly impossible to see how life could have begun without chemiosmosis," concluded Lane. "It is time to cast off the shackles of fermentation in some primordial soup as 'life without oxygen' -- an idea that dates back to a time before anybody in biology had any understanding of how ATP is made."


What theories exist as to how self-replicating molecules organised into the first cells? - Biologia

Building a Habitable Planet
Can we recover the record of the early Earth? Herv Martin and his colleagues uncover new clues.
By Simon Mitton

Origin of Life: First Steps
Just how did life emerge on Earth and under what conditions might it arise on other planets?
By Toby Murcott

The Violent Origin of the Solar System
Was the origin of our solar system special or are the conditions for life ubiquitous in the Universe?
By Simon Mitton

More European Related Features

Looking for Microbial Martians
The search for amino acids on Mars - A miniature detector, 1 million times more sensitive than the ones carried by Viking, will be aboard ESA's ExoMars mission in 2013.
By David Tenebaum

Hitchhikers Guide to Astrobiology
If you were stranded on a desert moon, what laboratory equipment would you want to have with you in your suitcase?
By Aaron Gronstal

Space on Earth
In his book, “Space on Earth,” microbiologist Charles Cockell urges space scientists and environmentalists to work together for the future for humanity.
By Charles Cockell

Streszczenie: One of the biggest puzzles in biology is also one of the principal challenges for astrobiology. Just how did life emerge on Earth and under what conditions might it arise on other planetary bodies?


The Origin of Life: First Steps

One of the biggest puzzles in biology is also one of the principal challenges for astrobiology. Just how did life emerge on Earth and under what conditions it might arise on other planetary bodies? This is an area of research that is still highly speculative but there are clues available from the careful analysis of what we know of life on Earth today. Buried deep in the cell are chemical fossils that hint at the way simple molecules might have got together to produce the beginnings of life.

It is this period of the Earth s pre-history, the transition from small, simple molecules to large, complex cells, that has been subjected to detailed scrutiny in From Suns to Life: A Chronological Approach to the History of Life on Earth edited by M. Gargaud et. al. and reprinted from Earth, Moon, and Planets, Vol. 98/1-4, 2006. This is an ambitious book put together by a number of professionals in the French astrobiology community and this review looks at just the chapter on the pre-biotic world. Starting with the newly habitable Earth and ending with the first true cell, known as the Last Common Ancestor - a period that stretches from roughly 4.2 to 2 billion years ago From Suns to Life brings together the current thinking of this challenging subject.

What hits you immediately about this subject is the large amount of uncertainty and the many different possible scenarios. Concerning the transition from prebiotic chemistry to life, there is no clear evidence of chronology. There are many different pathways from pre-biotic soup to living organisms, and numerous possible intermediate stages with any number of complex organic and biochemical reactions en route. It s also clear that the biochemicals of today may have performed very different functions in the past. For example, the majority of chemical reactions are today mediated by protein enzymes but some indications from biology suggest that RNA was widely used as a catalyst during early chemical evolution.

There is general agreement about the main players. Amino acids, nucleosides and nucleotides as the small pre-cursors leading to peptides, proteins and the long polymers of RNA and DNA. Energy sources are also required and there are important supporting roles for fats, carbohydrates and inorganic ions such as magnesium, iron and sodium. But just what happened and in what order is a matter of much debate and likely to remain so for some time.

Broadly speaking- and if we do accept for now the roles of metabolisms and energy transfer processes- , there are three main roles of biochemicals in living organisms: storage of genetic information, structure, and catalysis. For example, the capture of energy involves structures fine tuned to perform their function coupled with a catalytic activity to facilitate the necessary chemical reactions. These can be clearly seen in the structure and function of modern day bacteria or mitochondria and chloroplasts. The compartments within the cell are defined and controlled by the combination of lipids and proteins that make up cell membranes and of course genetic information is stored as long strands of DNA. One of the requirements of any description of chemical evolution is to suggest a plausible mechanism by which the evolving molecules can fit into one or more of these roles.

Three different scenarios for chemical evolution are discussed in the review co-evolution self-replicating peptides and the RNA world. Co-evolution makes no specific assumptions about a sequence of events. It argues that a protein and nucleic acid based life emerged more or less fully formed from a cocktail of pre-cursor molecules.It is the simplest of the models, requiring perhaps the least detailed explanation but it is not a particularly satisfying description.

The self-replicating peptide scenario argues that short strands of protein, peptides, were the first class of large biochemical to emerge from the soup. It requires them to perform their modern functions of catalysis and structure but also to store early genetic information. Intriguingly, there is a peptide based molecule that might, in theory, have performed this function. Called a Peptide Nucleic Acid (PNA) it has a similar structure to RNA but is not a nucleic acid. However, a fundamental problem with this is that it would have to have been replaced at some later period by RNA and then DNA. There is, as yet, no convincing rationale for this transition and what s more, there is no hint of PNA in any modern organism. While that does not rule it out, both biochemical and Darwinian evolution are expected to leave detectable traces of their heritage behind.

The model that receives the most attention (and perhaps the most straightforward) is that of the RNA world. In this short strings of nucleic acid, RNA, are the first complex biochemical molecules to emerge from the soup. They have to perform the three functions of structure, catalysis and genetic storage. However, RNA does indeed perform all of these functions to some degree in modern cells perhaps the smoking gun of molecular evolution.

The final steps from the RNA world to the modern is its substitution by DNA as the primary carrier of genetic information and the replacement of RNAzymes with protein enzymes. Then, or perhaps simultaneously, there needs to be a higher level of self assembly as the many different components required for life organize themselves into cell like structures. And then there is the role of viruses. Undoubtedly ancient, they are increasing seen as crucial elements of evolution as they swap genes from one organism to another.

It is impossible to say which of these scenarios most accurately represents what really happened on an early Earth. The discussion is also far more complex than this brief race through some of the ideas. Astrobiology, though, might provide one of the few opportunities to help unravel some of the puzzle. What might we find in the oceans of Europa or even the methane lakes of Titan? Even if there is nothing that might be classified as life, could they contain elements of the pre-biotic soup? If so, which model might they support?

This book covers every element of the evolution of life from the emergence of simple organic molecules to theories on how the first cells might have got together. How did groups of chemicals and their associated reactions become compartmentalised into prototype cells? What was the involvement of inorganic matrices and, the big one, how did complexity arise from simple origins? The authors painstakingly pore over the limited evidence and maks intelligent, though guarded, speculations as appropriate. Anyone who is not comfortable with biochemistry might struggle at times but the summaries are less intense and will allow virtually all readers to grasp the concepts and uncertainties. In describing the problem of how life emerged the authors also illustrate why astrobiology might provide one of the few experimental opportunities to test the hypotheses.



Uwagi:

  1. JoJok

    Niestety! Niestety!

  2. Kigore

    Masz dobrego bloga.

  3. Jonam

    Dokładnie wiadomości



Napisać wiadomość