FoodPro Preloader

En enklere opprinnelse for livet


: "På et tidspunkt ble et spesielt bemerkelsesverdig molekyl dannet ved et uhell. Vi vil kalle det Replikatoren . Det har kanskje ikke vært det største eller mest komplekse molekylet rundt, men det hadde den ekstraordinære egenskapen å kunne lage kopier av seg selv. " Da Dawkins skrev disse ordene for 30 år siden, var DNA den mest sannsynlige kandidaten til denne rollen. Som

: "På et tidspunkt ble et spesielt bemerkelsesverdig molekyl dannet ved et uhell. Vi vil kalle det Replikatoren . Det har kanskje ikke vært det største eller mest komplekse molekylet rundt, men det hadde den ekstraordinære egenskapen å kunne lage kopier av seg selv. " Da Dawkins skrev disse ordene for 30 år siden, var DNA den mest sannsynlige kandidaten til denne rollen. Som vi skal se, har flere andre replikatorer blitt foreslått.

Da RNA reiste verden

Dessverre følger komplikasjoner snart. DNA-replikasjon kan ikke fortsette uten hjelp av en rekke proteiner - medlemmer av en familie av store molekyler som er kjemisk svært forskjellige fra DNA. Proteiner, som DNA, er konstruert ved å koble underenheter, aminosyrer i dette tilfellet sammen for å danne en langkjede. Cellene bruker tjue av disse byggeblokkene i proteinene de lager, og gir et utvalg av produkter som er i stand til å utføre mange forskjellige oppgaver. Proteiner er handymen til den levende cellen. Deres mest kjente underklasse, enzymer, fungerer som ekspeditører, og påskynder kjemiske prosesser som ellers ville finne sted for sakte for å være til nytte for livet.

Ovennevnte konto bringer i tankene den gamle gåten: Som kom først, kyllingen eller egget? DNA inneholder oppskriften på proteinkonstruksjon. Likevel kan denne informasjonen ikke hentes eller kopieres uten hjelp av proteiner. Hvilket stort molekyl så da først opp for å få livet i gang - proteiner (kyllingen) eller DNA (egget)?

En mulig løsning dukket opp da oppmerksomheten skiftet til en ny mester - RNA. Denne allsidige klassen av molekyl er, som DNA, samlet av nukleotidbyggeblokker, men spiller mange roller i våre celler. Visse RNAer gir informasjon fra DNA til strukturer (som selv er i stor grad bygget av andre typer RNA) som konstruerer proteiner. I utførelsen av sine forskjellige plikter kan RNA påta seg en dobbelthjelpe som ligner på DNA, eller av en brettet ens streng, som et protein. I 2006 ble Nobelprisene i både kjemi og medisin tildelt for funn om RNAs rolle i redigering og censurering av DNA-instruksjoner. Warren E. Leary kunne skrive i New York Times at RNA "kommer raskt frem fra skyggene til sin bedre kjente kusine DNA."

For mange forskere i opprinnelsesfeltet hadde disse skyggene løftet to tiår tidligere med oppdagelsen av ribozymer, enzymlignende stoffer laget av RNA. En enkel løsning på kylling-og-egg-gåten syntes nå å falle på plass: Livet begynte med utseendet til det første RNA-molekylet. I en germinal 1986-artikkel skrev Nobelprisvinneren Walter Gilbert fra Harvard University i tidsskriftet Nature : "Man kan tenke på en RNA-verden, som bare inneholder RNA-molekyler som tjener til å katalysere syntesen av seg selv." Det første trinnet av evolusjon fortsetter deretter med RNA molekyler som utfører de katalytiske aktivitetene som er nødvendige for å samle seg fra en nukleotidsuppe. " I denne visjonen utførte den første selvrepliserende RNA som kom fra ikke-levende materie de funksjoner som nå utføres av RNA, DNA og proteiner.

En rekke ytterligere ledd syntes å støtte ideen om at RNA dukket opp før proteiner og DNA i utviklingen av livet. Mange små molekyler, kalt cofactors, spiller en nødvendig rolle i enzymkatalyserte reaksjoner. Disse kofaktorene bærer ofte et festet RNA-nukleotid uten åpenbar funksjon. Disse strukturene har blitt betraktet som "molekylære fossiler", relikvier nedstammet fra den tiden da RNA alene, uten DNA eller proteiner, styrte den biokjemiske verden. I tillegg har kjemikere vært i stand til å syntetisere nye ribozymer som viser en rekke enzymlignende aktiviteter. Mange forskere fant ideen om en organisme som stod på ribozymer, i stedet for protein enzymer, veldig attraktivt.

Hypotesen om at livet begynte med RNA ble presentert som en sannsynlig realitet, snarere enn en spekulasjon, i tidsskrifter, lærebøker og media. Men de ledetrådene jeg har sitert, støtter bare den svakere konklusjonen at RNA gikk foran DNA og proteiner. de gir ingen informasjon om livets opprinnelse, som kan ha involvert stadier før RNA-verdenen der andre levende enheter regjerte øverste. På samme måte, og til tross for de vanskelighetene som jeg vil diskutere i neste avsnitt, kan kanskje to tredjedeler av forskere publisere i livets opprinnelse (som dømt av en mengde av papirer som ble utgitt i 2006 i tidsskriftet Livets og Evolusjonens historie av biosfæren ) støtter fortsatt ideen om at livet begynte med spontan dannelse av RNA eller et relatert selvkopierende molekyl. Forvirrende bruker forskerne begrepet "RNA World" for å referere til både de sterke og de svake påstander om RNAs rolle før DNA og proteiner. Her vil jeg bruke begrepet "RNA først" for det sterke kravet om at RNA var involvert i opprinnelsen til livet.

Sukkekannen er tom

De attraktive egenskapene til RNA World førte til Gerald Joyce fra Scripps Research Institute og Leslie Orgel fra Salk Institute for å vise det som "molekylærbiologens drøm" innenfor et volum viet til det aktuelle emnet. De brukte også begrepet "prebiotisk kjemikerens mareritt" for å beskrive en annen del av bildet: Hvordan oppstod det første selvrepliserende RNA? Store hindringer blokkerer Gilberts bilde av livets opprinnelse, tilstrekkelig til å provosere en annen nobelist, Christian De Duve fra Rockefeller University, for å spørre retorisk: "Gjorde Gud RNA?"

RNAs byggeblokker, nukleotider, er komplekse stoffer som organiske molekyler går. De inneholder hver et sukker, et fosfat og en av fire nitrogenholdige baser som subunderenheter. Således inneholder hvert RNA-nukleotid 9 eller 10 karbonatomer, mange nitrogen- og oksygenatomer og fosfatgruppen, som alle er forbundet i et presist tredimensjonalt mønster. Det finnes mange alternative måter å lage disse tilkoblingene, og gir tusenvis av plausible nukleotider som lett kan bli med i stedet for standardene, men som ikke er representert i RNA. Det tallet er selv dverget av hundretusener til millioner av stabile organiske molekyler av tilsvarende størrelse som ikke er nukleotider.

RNA-nukleotidene er kjent for kjemikere på grunn av deres overflod i livet og deres kommersielle tilgjengelighet. I en form for molekylær vitalisme har noen forskere antatt at naturen har en medfødt tendens til å produsere livets byggeklosser fortrinnsvis, snarere enn horder av andre molekyler som også kan avledes av reglene for organisk kjemi. Denne ideen inspirerte fra et velkjent eksperiment publisert i 1953 av Stanley Miller. Han påførte en gnistutslipp til en blanding av enkle gasser som da ble antatt å representere atmosfæren i den tidlige Jorden. To aminosyrer i settet 20 anvendt til å konstruere proteiner ble dannet i signifikante mengder, med andre fra det settet som var tilstede i små mengder. (En beskrivelse av Miller-eksperimentet og de kjemiske strukturer av en aminosyre og et nukleotid finnes i "Livets opprinnelse på jorden" av LE Orgel; Oktober 1994.) I tillegg har mer enn 80 forskjellige aminosyrer, noen tilstedeværende og andre fraværende fra levende systemer, har blitt identifisert som komponenter av Murchison-meteoritten, som falt i Australia i 1969. Naturen har tilsynelatende vært sjenerøs i å gi en forsyning av disse spesifikke byggesteinene. Ved ekstrapolering av disse resultatene har noen forfattere antatt at hele livets bygning kunne formes med letthet i Miller-type eksperimenter og var tilstede i meteoritter og andre utenomjordiske legemer. Det er ikke slik det er.

En nøye undersøkelse av resultatene av analysen av flere meteoritter førte forskerne som utførte arbeidet til en annen konklusjon: livløs natur har en forspenning mot dannelsen av molekyler laget av færre snarere enn større antall karbonatomer og viser således ingen partiskhet i favør av å skape byggesteinene i vår type liv. (Når større karbonholdige molekyler er produsert, pleier de å være uoppløselige, hydrogenfattige stoffer som organiske kjemikere kaller tårer.) Jeg har observert et lignende mønster i resultatene av mange gnistutladningseksperimenter.

Aminosyrer, som de som er produsert eller funnet i disse forsøkene, er langt mindre komplekse enn nukleotider. Deres definerende egenskaper er en aminogruppe (et nitrogen og to hydrogener) og en karboksylsyregruppe (et karbon, to oksygen og et hydrogen) begge festet til samme karbon. Den enkleste av de 20 som brukes til å bygge naturlige proteiner inneholder bare to karbonatomer. Sytten av settet inneholder seks eller færre karboner. Aminosyrene og andre stoffer som var fremtredende i Miller-eksperimentet inneholdt to og tre karbonatomer. Derimot har ingen nukleotider av noe slag blitt rapportert som produkter av gnistutladningseksperimenter eller i studier av meteoritter, og heller ikke de mindre enhetene (nukleosider) som inneholder sukker og base, men mangler fosfat.

For å redde RNA-første konseptet fra denne ellers dødelige mangelen, har dets advokater opprettet en disiplin som kalles prebiotisk syntese. De har forsøkt å vise at RNA og dets komponenter kan fremstilles i deres laboratorier i en rekke forsiktig kontrollerte reaksjoner, som normalt utføres i vann ved temperaturer som observeres på jorden. En slik sekvens ville vanligvis starte med forbindelser av karbon som hadde blitt produsert i gnistutladningsforsøk eller funnet i meteoritter. Observasjonen av en bestemt organisk kjemikalie i en hvilken som helst mengde (selv som en del av en kompleks blanding) i en av de ovennevnte kildene, ville rettferdiggjøre sin klassifisering som "prebiotisk", et stoff som angivelig hadde blitt bevist å være til stede på den tidlige Jorden. Når denne forskjellen ble tildelt, kunne kjemikaliet da brukes i ren form, i hvilken som helst mengde, i en annen prebiotisk reaksjon. Produktene av en slik reaksjon vil også bli betraktet som "prebiotisk" og anvendt i det neste trinn i sekvensen.

Bruken av reaksjonssekvenser av denne typen (uten noen henvisning til livets opprinnelse) har lenge vært en ærefull praksis i det tradisjonelle feltet syntetisk organisk kjemi. Min egen doktorgradsrådgiver, Robert B. Woodward, ble tildelt Nobelprisen for sine strålende synteser av kinin, kolesterol, klorofyll og mange andre stoffer. Det betydde lite om kilogram utgangsmateriale var nødvendig for å produsere milligram av produkt. Poenget var demonstrasjonen om at mennesker kunne produsere, men ineffektivt, stoffer som finnes i naturen. Dessverre var ingen kjemikere eller laboratorier til stede på den tidlige Jorden for å produsere RNA.

Jeg vil sitere et eksempel på prebiotisk syntese, publisert i 1995 av Nature og omtalt i New York Times . RNA-base-cytosinet ble fremstilt i høyt utbytte ved oppvarming av to rensede kjemikalier i et forseglet glassrør ved 100 grader Celsius i omtrent en dag. Et av reagensene, cyanoacetaldehyd, er en reaktiv substans som er i stand til å kombinere med en rekke vanlige kjemikalier som kan ha vært tilstede på tidlig jord. Disse konkurrentene ble utelukket. En ekstrem høy konsentrasjon var nødvendig for å koaksere den andre deltageren, urea, for å reagere i en tilstrekkelig hastighet for reaksjonen å lykkes. Produktet, cytosin, kan selvdestrudere ved enkel reaksjon med vann. Når ureakonsentrasjonen ble senket, eller reaksjonen fikk lov til å fortsette for lenge, ble hvert cytosin som ble produsert senere ødelagt. Denne destruktive reaksjonen ble oppdaget i laboratoriet mitt, som en del av min fortsatte forskning om miljøskader på DNA. Våre egne celler håndterer det ved å opprettholde en serie enzymer som spesialiserer seg på DNA-reparasjon.

Den eksepsjonelt høye ureakonsentrasjonen ble rasjonalisert i Nature- papiret ved å påkalle en visjon om tørking av laguner på tidlig jord. I en publisert tilbakekalling beregnede jeg at en stor lagune måtte fordampes til en pølse, uten tap av innholdet, for å oppnå den konsentrasjonen. Ingen slik funksjon finnes på jorden i dag.

Tørket lagunen krav er ikke unik. I en lignende ånd har andre prebiotiske kjemikere påkalt frysende ishav, innsjøer med ferskvannsdammer, flytende bekker, strender, tørre ørkener, vulkanske akviferer og hele det globale hav (frosset eller varmt etter behov) for å støtte deres krav om at "nukleotidsuppe" som er nødvendig for RNA-syntese, ville på en eller annen måte ha blitt til stede på den tidlige Jorden.

Analysen som kommer til å tenke er at en golfspiller, som har spilt en golfboll gjennom en 18-hulls bane, antok at ballen også kunne spille seg selv rundt kurset i hans fravær. Han hadde vist muligheten for arrangementet; det var bare nødvendig å anta at en kombinasjon av naturlige krefter (jordskjelv, vind, tornadoer og flom, for eksempel) kunne gi det samme resultatet, gitt nok tid. Ingen fysisk lov må brytes for at spontan RNA-formasjon skal skje, men sjansene mot det er så enorme at forslaget innebærer at den ikke-levende verden hadde et medfødt ønske om å generere RNA. De fleste opphavsrettsforskere som fremdeles støtter RNA-første teori, godtar enten dette konseptet (implisitt, om ikke eksplisitt) eller føler at de uheldig ugunstige oddsene enkelt overvinnes av lykke til.

En enklere replikator?

Mange kjemikere, som står overfor disse vanskelighetene, har fledd RNA-første hypotesen som om det var en brannbygning. En gruppe, som likevel er fanget av visjonen om det selvkopierende molekylet, har valgt en utgang som fører til liknende farer. I disse reviderte teoriene oppsto en enklere replikator først og styrt liv i en "pre-RNA-verden". Variasjoner har blitt foreslått der baser, sukker eller hele ryggraden til RNA har blitt erstattet av enklere stoffer, mer tilgjengelige for prebiotiske synteser. Formentlig vil denne første replikatoren også ha den katalytiske evnen til RNA. Fordi ingen spor av denne hypotetiske primale replikatoren og katalysatoren har blitt anerkjent så langt i moderne biologi, må RNA ha tatt fullstendig over alle sine funksjoner på et eller annet tidspunkt etter dets fremkomst.

Videre står det spontane utseendet til en hvilken som helst slik replikator uten hjelp av en kjemiker ansiktsløsninger som dverg de involverte i fremstillingen av en ren nukleotidsuppe. La oss anta at en suppe beriket i byggeklossene til alle disse foreslåtte replikatørene, på en eller annen måte er blitt satt sammen under betingelser som favoriserer deres forbindelse til kjeder. De ville bli ledsaget av horder av defekte byggeklosser, hvis inkludering ville ødelegge kjedens evne til å fungere som en replikator. Den enkleste feil enheten ville være en terminator, en komponent som bare hadde en "arm" tilgjengelig for tilkobling, snarere enn de to som var nødvendige for å støtte ytterligere vekst av kjeden.

Det er ingen grunn til å anta at en likegyldig natur ikke vil kombinere enheter tilfeldig, noe som produserer et enormt utvalg av hybrid korte, terminerte kjeder, snarere enn den mye lengre en av enhetlig ryggradsmetri som trengs for å støtte replikator og katalytiske funksjoner. Sannsynlighetsberegninger kan gjøres, men jeg foretrekker en variasjon på en mye brukt analogi. Bilde en gorilla (veldig lange armer trengs) på et enormt tastatur koblet til en tekstbehandler. Klaviaturet inneholder ikke bare symbolene som brukes på engelsk og europeisk språk, men også et stort overskudd trukket fra alle andre kjente språk og alle symbolsettene lagret i en typisk datamaskin. Sjansene for spontan montering av en replikator i bassenget jeg beskrevet ovenfor, kan sammenlignes med gorillasammensetningen, på engelsk, en sammenhengende oppskrift for fremstilling av chili con carne. Med lignende hensyn i tankene konkluderte Gerald F. Joyce fra Scripps Research Institute og Leslie Orgel fra Salk Institute at det spontane utseendet til RNA-kjeder på den livløse jorden "ville vært et nært mirakel." Jeg vil utvide denne konklusjonen til alle de foreslåtte RNA-erstatene som jeg nevnte ovenfor.

Livet med små molekyler

Nobelpristageren Christian de Duve har kalt for "en avvisning av uhensiktsmessigheter så uvanlig høyt at de bare kan kalles mirakler, fenomener som faller utenfor omfanget av vitenskapelig forespørsel." DNA, RNA, proteiner og andre forseggjort store molekyler må da settes til side som deltakere i livets opprinnelse. Livløs natur gir oss en rekke blandinger av små molekyler, hvis oppførsel styres av vitenskapelige lover, snarere enn ved menneskelig inngrep.

Heldigvis kan en alternativ gruppe teorier som kan benytte disse materialene eksistert i flere tiår. Teoriene anvender en termodynamisk snarere enn en genetisk definisjon av livet, i henhold til et skjema fremsatt av Carl Sagan i Encyclopedia Britannica: En lokalisert region som øker i rekkefølge (nedgang i entropi) gjennom sykluser drevet av en energiflømning, vil bli ansett som levende. Denne småmolekylære tilnærmingen er forankret i ideene til den sovjetiske biologen Alexander Oparin, og nåværende bemerkelsesverdige talsmenn er de Duve, Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study, Stuart Kauffman fra Santa Fe Institute, Doron Lancet fra Weizmann Institute, Harold Morowitz av George Mason University og den uavhengige forskeren Gnter Wchtershuser. Jeg anslår at om lag en tredjedel av kjemikerne som er involvert i studiet av livets opprinnelse, abonnerer på teorier basert på denne ideen. Opphavsrettsløsninger av denne typen er forskjellige i spesifikke detaljer; her vil jeg prøve å liste fem vanlige krav (og legge til noen ideer på egen hånd).

(1) Det er nødvendig med en grense for å skille livet fra ikke-liv. Livet er preget av sin store organisasjonsgrad, men den andre loven om termodynamikk krever at universet beveger seg i en retning der lidelse eller entropi øker. Et smutthull gjør det imidlertid mulig for entropi å redusere i et begrenset område, forutsatt at en større økning oppstår utenfor området. Når levende celler vokser og forminerer, konverterer de kjemisk energi eller stråling til varme samtidig. Den frigjorte varmen øker miljøets entropi, kompenserer for nedgangen i levende systemer. Grensen opprettholder denne splittelsen av verden i lommer av liv og det ikke-levende miljø der de må opprettholde seg selv.

I dag er sofistikerte dobbeltlags cellemembraner laget av kjemikalier klassifisert som lipider, separate levende celler fra deres miljø. Når livet begynte, hadde noen naturlige egenskaper sannsynligvis samme formål. David W. Deamer fra University of California, Santa Cruz, har observert membranlignende strukturer i meteoritter. Andre forslag har foreslått naturlige grenser som ikke brukes av livet i dag, som jernsulfidmembraner, mineraloverflater (hvor elektrostatiske interaksjoner adskiller utvalgte molekyler fra deres miljø), små dammer og aerosoler.

(2) En energikilde er nødvendig for å drive organisasjonsprosessen. Vi bruker karbohydrater og fett, og kombinerer dem med oksygen som vi inhalerer, for å holde oss i live. Mikroorganismer er mer allsidige, og kan bruke mineraler i stedet for mat eller oksygen. I begge tilfeller er transformasjonene som er involvert, kalt redoksreaksjoner. De involverer overføring av elektroner fra en elektronisk rik (eller redusert) substans til en elektron-dårlig (eller oksidert) en. Planter kan ta opp solenergi direkte, og tilpasse det til livets funksjoner. Andre former for energi brukes av celler i spesialiserte forhold - for eksempel forskjeller i surhet på motsatte sider av en membran. Likevel kan andre, som radioaktivitet og brå temperaturforskjeller, brukes av livet andre steder i universet. Her vil jeg vurdere redoksreaksjoner som energikilde.

(3) En koblingsmekanisme må knytte energisparingen til organisasjonsprosessen som produserer og opprettholder livet. Utgivelsen av energi gir ikke nødvendigvis et nyttig resultat. Kjemisk energi frigjøres når bensin brennes i sylindrene i bilen min, men kjøretøyet vil ikke bevege seg med mindre den energien brukes til å snu hjulene. En mekanisk tilkobling, eller kopling, er nødvendig. Hver dag, i våre egne celler, nedbryter hver av oss pounds av et nukleotid som kalles ATP. Energien som frigjøres av denne gunstige reaksjonen, tjener til å drive prosesser som er mindre gunstige, men nødvendige for vår biokjemi. Sammenkobling oppnås når reaksjonene deler et felles mellomliggende, og prosessen økes ved innblanding av et enzym. En antagelse om småmolekylen-tilnærmingen er at koblede reaksjoner og primitive katalysatorer som er tilstrekkelige for at livet skal begynne å eksistere i naturen.

(4) Et kjemisk nettverk må dannes for å tillate tilpasning og evolusjon. Vi kommer nå til hjertet av saken. Tenk for eksempel at en energisk gunstig redoksreaksjon av et naturlig forekommende mineral er knyttet til omdannelsen av en organisk kjemisk A til en annen en B i et rom. Den gunstige, energisparende, entropi-økende reaksjonen av mineralet driver A-til-B-transformasjonen. Jeg kaller denne nøkkeltransformasjonen en sjåførreaksjon, for den tjener som motoren som mobiliserer organisasjonsprosessen. Hvis B bare omdirigerer seg tilbake til A eller rømmer fra rommet, ville vi ikke være på en sti som fører til økt organisasjon. Hvis en multi-trinns kjemisk bane - si B til C til D til A - omdanner B til A, vil trinnene i den sirkulære prosessen (eller syklusen) bli favorisert fordi de fyller på A, slik at den fortsatte utslipp av energi ved mineralreaksjonen.

Hvis vi visualiserer syklusen som en sirkulær jernbanelinje, holder energikilden togene rundt den på en måte. Hver stasjon kan også være navet for en rekke grener, for eksempel en tilkoblingsstasjon D til en annen stasjon, E. Togene kan reise i begge retninger langs den grenen, depleterer eller forsterker syklusens trafikk. Takket være den kontinuerlige uttømmingen av A trekkes imidlertid materiale fra D til A. Den resulterende utmattingen av D har i sin tur en tendens til å tegne materiale fra E til D. På denne måten blir materialet trukket langs grenlinjene inn i det sentrale syklus, maksimere energibruk som følger med sjåførreaksjonen.

Syklusen kan også tilpasse seg endrede omstendigheter. Som barn var jeg fascinert av måten vann, som ble løslatt fra en lekkende vannkilde, ville finne en sti nedoverbakke til nærmeste kloakk. Hvis fallende blader eller falt avfall blokkerte den banen, ville vannet rygge opp til en annen rute ble funnet rundt hindringen. På samme måte, hvis en forandring i surheten eller i andre miljøforhold skulle hindre et trinn i veien fra B til A, ville materialet sikkerhetskopiere til en annen rute ble funnet. Ytterligere endringer av denne typen ville konvertere den opprinnelige syklusen til et nettverk. Denne prøve-og-feilutforskningen av det kjemiske "landskapet" kan også oppstå forbindelser som kan katalysere viktige skritt i syklusen, og øke effektiviteten som nettverket utnyttet energikilden.

(5) Nettverket må vokse og reprodusere. For å overleve og vokse må nettverket få materiale med en hastighet som kompenserer for banene som fjerner den. Diffusjon av nettverksmaterialer ut av rommet i den ytre verden er begunstiget av entropi og vil forekomme i en viss grad, spesielt i begynnelsen av livet når grensen er en rå miljø som er etablert av miljøet, i stedet for en av de høye effektive cellemembranene som er tilgjengelige i dag etter milliarder av utviklingsår. Noen sidereaksjoner kan produsere gasser, som rømmer, eller danner tars, som vil slippe ut av løsningen. Hvis disse prosessene sammen bør overstige den hastigheten som nettverket får material til, vil det bli slukket. Utmattelse av eksternt brensel ville ha samme effekt. Vi kan forestille oss, på den tidlige Jorden, en situasjon hvor mange oppstart av denne typen forekommer, og involverer mange alternative sjåførreaksjoner og eksterne energikilder. Endelig vil en spesielt hardt slå rot og opprettholde seg selv.

Et reproduksjonssystem må etter hvert utvikles. Hvis vårt nettverk er plassert i en lipidmembran, så kan fysiske krefter splitte den etter at den er vokst nok. (Freeman Dyson har beskrevet et slikt system som en "søppelposerverden" i motsetning til RNA-verdens "ryddige scene".) Et system som fungerer i et rom i et mineral, kan overfylte til tilstøtende rom. Uansett hva mekanismen kan være, beskytter denne spredning i separerte enheter systemet fra total utryddelse ved en lokal destruktiv begivenhet. Når uavhengige enheter ble etablert, kunne de utvikle seg på forskjellige måter og konkurrere med hverandre for råvarer; Vi ville ha gjort overgangen fra livet som kommer fra ikke-levende materie gjennom virkningen av en tilgjengelig energikilde til livet som tilpasser seg sitt miljø ved Darwinian evolusjon.

Endre paradigmet

Systemer av typen jeg har beskrevet har vanligvis blitt klassifisert under overskriften "metabolisme først", noe som innebærer at de ikke inneholder en arvelighetsmekanisme. Med andre ord inneholder de ikke noe åpenbart molekyl eller struktur som gjør at informasjonen som er lagret i dem (deres arvelighet) kan dupliseres og videreføres til sine etterkommere. Men en samling små gjenstander har samme informasjon som en liste som beskriver elementene. For eksempel gir min kone meg en handleliste for supermarkedet; samlingen av dagligvarer som jeg returnerer med inneholder samme informasjon som listen. Doron Lancet har gitt navnet "sammensetningsgenomet" til arvelighet lagret i små molekyler, snarere enn en liste som DNA eller RNA.

Den lille molekylære tilnærmingen til livets opprinnelse stiller flere krav til naturen (et rom, en ekstern energiforsyning, en sjåførreaksjon koblet til den forsyningen og eksistensen av et kjemisk nettverk som inneholder den reaksjonen). Disse kravene er imidlertid generelt av natur, og er utrolig mer sannsynlige enn de utførlige flertrinnsbanene som trengs for å danne et molekyl som kan fungere som en replikator.

Gjennom årene har mange teoretiske papirer utviklet spesielle metabolisme første ordninger, men relativt lite eksperimentelt arbeid har blitt presentert til støtte for dem. I de tilfeller hvor eksperimenter har blitt publisert, har de vanligvis tjent til å demonstrere plausibiliteten til individuelle trinn i en foreslått syklus. Den største mengden nye data har kanskje kommet fra Gnter Wchtershuser og hans kolleger ved Technische Universitt Mnchen. De har vist deler av en syklus som involverer kombinasjonen og separasjonen av aminosyrer, i nærvær av metallsulfidkatalysatorer. Den energiske drivkraften for transformasjonene tilføres ved oksydasjon av karbonmonoksid til karbondioksid. De har ennå ikke demonstrert driften av en komplett syklus eller evnen til å opprettholde seg selv og gjennomgå videre utvikling. Et "røykpistol" -eksperiment som viser disse tre funksjonene er nødvendig for å fastslå gyldigheten av det lille molekylet tilnærming.

Hovedoppgaven er identifisering av kandidatdriverreaksjoner - små molekyltransformasjoner (A til B i eksempelet før) som er koblet til en rik ekstern energikilde (som oksidasjon av karbonmonoksid eller et mineral). Når en troverdig sjåførreaktjon er identifisert, bør det ikke være nødvendig å spesifisere resten av systemet på forhånd. De valgte komponentene (inkludert energikilden) pluss en blanding av andre små molekyler som normalt produseres av naturlige prosesser (og sannsynligvis har vært rikelig på tidlig jord) kan kombineres i et egnet reaksjonsbeholder. Hvis et utviklingsnett ble etablert, ville vi forvente at konsentrasjonen av deltakerne i nettverket økte og endres med tiden. Nye katalysatorer som økte hastigheten på sentrale reaksjoner kan oppstå, mens irrelevante materialer vil redusere i mengde. Reaktoren vil trenge en inngangsenhet for å tillate påfylling av energiforsyning og råmaterialer og et utløp for å tillate fjerning av avfallsprodukter og kjemikalier som ikke var en del av nettverket.

I slike eksperimenter vil feilene enkelt identifiseres. Energien kan bli spaltet uten å gi noen signifikante endringer i konsentrasjonene av de andre kjemikaliene, eller kjemikaliene kan ganske enkelt omdannes til en tjære som vil tette apparatet. En suksess kan vise de første trinnene på veien til livet. Disse trinnene trenger ikke å duplisere de som skjedde på den tidlige Jorden. Det er viktigere at det generelle prinsippet blir demonstrert og gjort tilgjengelig for videre undersøkelse. Mange potensielle veier til livet kan eksistere, med valget diktert av det lokale miljøet.

En forståelse av de første trinnene som fører til livet, ville ikke avsløre de spesifikke hendelsene som førte til dagens DNA-RNA-proteinbaserte organismer i dag. Men fordi vi vet at evolusjon ikke forutser fremtidige hendelser, kan vi anta at nukleotider først dukket opp i stoffskiftet for å tjene andre formål, kanskje som katalysatorer eller som beholdere for lagring av kjemisk energi (nukleotidet ATP tjener fortsatt denne funksjonen i dag) . Noen tilfeldighetshendelser eller forhold kan ha ført til tilkoblingen av nukleotider for å danne RNA. Den mest åpenbare funksjonen til RNA i dag er å tjene som et strukturelt element som bidrar til dannelsen av bindinger mellom aminosyrer i syntese av proteiner. De første RNAene kan ha tjent samme formål, men uten noen preferanse for bestemte aminosyrer. Mange ytterligere skritt i evolusjon ville være nødvendig for å "finne ut" de utførlige mekanismer for replikasjon og spesifikk proteinsyntese som vi observerer i livet i dag.

Hvis det generelle småmolekylparadigmet ble bekreftet, ville våre forventninger til livets sted i universet forandres. En høyst usannsynlig livsstil, som i RNA-første scenariet, innebærer et univers der vi er alene. I ordene til sent Jacques Monod, "Universet var ikke gravid med livet eller biosfæren med mannen. Vårt nummer kom opp i Monte Carlo-spillet." Alternativet for små molekyler er imidlertid i harmoni med biologen Stuart Kauffmans syn: "Hvis dette er helt sant, er livet langt mer sannsynlig enn vi antar. Ikke bare er vi hjemme i universet, men vi er langt mer sannsynlig å dele den med ukjente følgesvenner. "

ROBERT SHAPIRO er professor emeritus av kjemi og seniorforsker ved New York University. Han er forfatter eller medforfatter av over 125 publikasjoner, først og fremst innen DNA-kjemi. Spesielt har han og hans medarbeidere studert måtene miljøkemikalier kan skade vårt arvelige materiale på, forårsaker forandringer som kan føre til mutasjoner og kreft. I 2004 ble han tildelt Trotterprisen i informasjon, kompleksitet og inngang. Shapiro har skrevet fire bøker til allmennheten: Life Beyond Earth (med Gerald Feinberg); Opprinnelser, en skeptisk guide til livets skapelse på jorden ; Menneskeblåkopien (på innsatsen for å lese det menneskelige genomet); og planetariske drømmer (på søken etter livet i vårt solsystem). Når han ikke er involvert i forskning, forelesning eller skriving, liker han å løpe, vandre, vinsmake, teater og reise. Han er gift og har en 35 år gammel sønn.

Hvordan en smittsom hundetumor gikk globaltDette er hvorfor Science elsker tvillingerBlade Runner: 18-Rotor "Volocopter" Flytter fra konsept til prototypeSjeldne FlareForstyrrer elektriske ladninger og magneter plass, på samme måte som en tyngdekraft gjør?Coral Clues Hint på Looming Global Warming SpikeGruppetanker: Forsker får $ 2,9 millioner for å videreutvikle sværm intelligensNy matematikk kunne nøytralisere patogener som motstår antibiotika