Ранні етапи еволюції життя

Як ж виникли такі складні молекули, настільки узгоджено один з одним працюючі, що забезпечують зв'язані метаболічні процеси в клітині? На це питання поки що ніхто не може дати повну відповідь. Однак деякі деталі відомі. Відомий шлях, на якому можна знайти відповідь.

Проведемо наступну аналогію. Процитуємо оповідання "танцюючі чоловічки" Артура Конан Дойля, один з оповідань про Шерлока Холмса, в якому він в черговий раз вразив Уотсона своєю проникливістю:

... - Холмс, як, чорт забирай, ви про це дізналися? - Запитав я.

-- Бачите, дорогий мій Уотсон ... Не так вже й важко побудувати серію висновків, в якій кожний наступний найпростішим чином витікає з попереднього. Якщо після цього видалити всі середні ланки і повідомити слухачеві тільки перша ланка і останнє, вони зроблять приголомшливе враження. Після погляду на западинки між великим і вказівним пальцем вашої лівої руки, мені було зовсім неважко зробити висновок, що ви не збираєтеся вкладати свій капітал в золоті розсипи.

-- Але я не бачу ніякого зв'язку між цими двома обставинами!

-- Ось опущені ланки цього найпростішої ланцюга. По-перше ... По-друге ... По-шосте ...

-- До чого просто! - Вигукнув я.

-- Звичайно, - сказав він, трохи вражений, - будь-яка задача виявляється дуже простий після того, як вам її розтлумачать. А ось вам завдання ще не вирішена ...

Для нас ця невирішена завдання - це походження життя на Землі. Ми бачимо остання ланка цього ланцюга - життя існує. І за результатами численних досліджень ми можемо уявити собі атмосферу молодої Землі, процеси, які на ній відбувалися. Життя тоді ще не було. Тобто, у нас є першою і остання ланка, але в нас немає проміжних етапів. Якщо ми не бачимо проміжних ланок, нам здається це дивом. Це «диво» тлумачать по-різному: одні кажуть, що життя була занесена з Космосу, інші вважають, що життя хтось створив, але мало хто уявляє, що ці ланки можна реконструювати. На даний момент відновити всі ці ланки ніхто не може, але ми спробуємо представити деякі з них, показати, яким способом можна реконструювати етапи виникнення життя на Землі і її розвиток.

ДНК -> РНК -> БІЛОК

Ця схема називається догмою молекулярної біології. Вона з'явилася в 50-60-і роки 20 століття, коли стали зрозумілі в загальних рисах основні процеси синтезу ДНК, РНК та білка. Вважалося, що це закон життя - на матриці ДНК синтезується РНК, на матриці РНК синтезується білок. І функції "молекул життя" були, здавалося б, зрозумілі: ДНК зберігає інформацію, РНК її переносить від ДНК до білка, білок виконує всю роботу в клітці. Але в 1975 р. схема змінилася:

ДНК <-> РНК -> БІЛОК

В 1975 Говард Тьомін і Девід Балтімор незалежно один від одного відкрили зворотну транскрипцію. Виявилося, що існує фермент ревертаза, який синтезує ДНК на матриці РНК. Вони за це відкриття отримали Нобелівську премію.

Ще одне відкриття, що стосується нашої теми (і теж відзначене Нобелівської премії), було зроблено в 1989 році Сідней Олтменом і Томасом Чеком. Виявилося, що РНК може виконувати ферментативну функцію. Альтман і Чек встановили, що молекула РНК сама здатна «відкусити» від себе шматочок, і для цього їй не потрібні ніякі білки .. Потім були знайдені інші, більш складні форми каталітичної активності РНК. РНК-ферменти були названі рібозімамі (за аналогією з білковими ферментами, ензимами). Треба відзначити, що ДНК також може працювати як дезоксирибози, але таких експериментів набагато менше, ніж експериментів з рібозімамі.

Зупинимося ще раз на взаємодії білків і РНК, зокрема, про забезпечення що відбуваються в клітині процесів.

Треба сказати, що РНК працюють трохи повільніше білків, а в деяких ферментах РНК виконують основну роботу, а білки їй допомагають, тобто без білків вона виконує свою роботу набагато гірше, але, проте, може працювати і без білків. Коли були відкриті рібозіми, вчені - біологи стали ставити РНК в центр роздумів про походження життя і про ранніх етапах еволюції життя. По-перше, РНК - нуклеїнова кислота, яка може утворювати комплементарні зв'язку, то тобто її можна реплікованих. Є віруси, що містять РНК, яка реплікується, у цих вірусів є спеціальний фермент РНК-реплікази. Тобто РНК може виконувати функцію реплікації, ферментативну також може виконувати, тобто вона може працювати як РНК-геном і як РНК-фермент.

Гіпотеза про те, що РНК могла виникнути раніше, ніж ДНК і білки, була названа РНК-світом. Зараз це вважається в багатьох підручниках загальновизнаним фактом, хоча, строго кажучи, не можна виключити інші сценарії розвитку життя. Гіпотеза пояснює дуже багато, набагато більше, ніж інші гіпотези. Гіпотеза про те, що білки лежать біля витоків життя менш раціональна, так як треба шукати ще й відповідь на питання, чому білки, які саморепліціровалісь, втратили потім цю здатність?

Гіпотеза РНК-світу не говорить про самого початку виникнення живих молекул на Землі, вона говорить про наступний етап еволюції, коли біомолекули існують, існують якісь процеси, але світ ще не такий, як зараз, до якого ми звикли. ДНК у тому світі ще немає, білків, мабуть, теж немає, хоча амінокислоти і олігопептиди вже є, немає процесу трансляції, зате є процес транскрипції, тільки РНК не на ДНК синтезується, а на РНК. Є РНК-геном, на якому синтезується робоча молекула РНК-ферменту. Деякі автори, намагаючись реконструювати особливості цього світу припускають, що тРНК - це релікт РНК-світу, і що РНК-геном був схожий на тРНК. Молекули тРНК беруть участь не тільки в біосинтезі білків в якості переносників амінокислот, але беруть участь і в інших процесах, в тому числі і регуляторних. Припускають, що три нуклеотиду, які розташовуються в Антикодон, були міткою для геному, а в робочій молекулі РНК цих нуклеотидів не було. Робочі копії молекул РНК могли руйнуватися під час роботи, і їх не треба було використовувати для реплікації. РНК-геном з міткою був матрицею для синтезу безлічі робочих молекул, а коли треба реплікованих РНК, то по цій мітці дізнаються, яку саме молекулу треба реплікованих, утворюється копія разом з міткою і вже з цієї мітки утворюється нова геномної РНК. Підкреслимо, що це лише гіпотеза і довести поки що її не можна, хоча є деякі вказівки на те, що такі процеси могли йти.

Наступний що з'явився процес - трансляція. На РНК почали синтезуватися білки і є безліч гіпотез, як і чому це сталося і чому це було вигідно. Вважають, що останньою з'явилася ДНК. Так як РНК менш стабільна, ДНК стала виконувати функції геному, а РНК зберегла тільки частину функцій, які мала в РНК-світі. ДНК-копії молекул РНК могли виникнути в процесі зворотного транскрипції. Але для того, щоб вважати інформацію з ДНК, повинен був з'явитися процес транскрипції. Можливо, спочатку для реплікації ДНК було потрібно перевести її в РНК-овую копію, а потім шляхом зворотної транскрипції синтезувати нову ДНК. Але на якомусь етапі повинна була з'явитися реплікація ДНК без РНК-посередника. Правда, совесем без РНК до цих пір обійтися не вдається - Нагадаю, що ДНК-полімерази для ініціації синтезу ДНК потрібно РНК-запал.

Передбачуваний порядок появи функцій живого такий: каталітичні функції рібозімов і реплікація РНК, потім додається трансляція, потім додається зворотній транскрипція і транскрипція РНК на ДНК, після цього ДНК-реплікація. Пізніше за все виникла компактизації ДНК (нагадаю, ми говорили на одній з лекцій про білках-гістонів і Нуклеосома, які виконують забезпечують компактизації в еукаріотичної клітині). Компактизації ДНК дозволила збільшити розмір генома.

Цікаво помітити, що, тому що у всіх нині живих організмах від бактерій, вірусів та до людини використовується один генетичний код і основні метаболічні процеси подібні. Вважають, що всі нині живуть організми походять від одного загального предка. Загальним предком вважається колекція клітин і субклітинних структур. Точніше було б сказати, що загальний предок представляв колекцію метаболічних процесів і каталізаторів, їх регулюють.

Цей загальний предок, який мав всі основні системи сучасних організмів (ДНК, РНК, білок), називається прогенот (прародитель). Далі пішла еволюція, яку більше зрозуміло, як вивчати. На рахунок того, що було до цього, можна будувати тільки гіпотези, але ці гіпотези повинні бути обгрунтовані. Наприклад, є роботи, в яких намагаються реконструювати метаболізм РНК-світу. Як це роблять? На початку вивчають метаболічні процеси сучасної клітини і намагаються в них знайти релікти РНК-світу. Тобто якщо уявити, що існував РНК-світ, то сучасний метаболізм був «написаний» поверх того, який існував тоді. Наприклад, ми знаємо, що АТФ працює як донор фосфору, але донором фосфору можуть бути й інші молекули. Навіщо ж тоді зберігати молекулу, яка містить рибонуклеїнової частина? Припускають, що це саме релікт РНК-світу. Не тільки АТФ має функції, паралельні з іншими речовинами, а й безліч рибонуклеїнових ко-факторів, тобто сполук, що беруть участь у ферментативних реакціях, що служать посередниками, "помічниками" в роботі ферментів. Наприклад НАДФ - нікотинамід дінуклеотідфосфат та ін Якщо якісь процеси йдуть за участю ко-факторів, до складу яких входить шматочок РНК, і такі ж процеси можуть іти в інших організмах або в інших частинах клітини без участі цього рибо-шматочка, тобто є інший донор фосфорної групи або донор метильної групи, то припускають, що там, де ко-фактор з РНК-складової є релікт РНК-світу. І, пройшовши такий аналіз, знайшли процеси, які могли бути представлені в РНК-світі. Цікава така особливість, що синтез жирних кислот, імовірно, не був представлений у списку таких процесів, адже для цього потрібні обов'язкові білкові компоненти, яких тоді не було.

Цікавий питання, чи займався рибо-організм кисневим фотосинтезом? Адже кисень з'явився в атмосфері 2 млрд. років тому, відбулася зміна безкисневому атмосфери на кисневу. Якщо реконструкція покаже, що в рибо-організмі міг йти кисневий фотосинтез, то це означало б, що рибо-організми жили 2-3 млрд років тому, а в цей час вже є цілком помітні сліди прокаріотів клітинних структур в осадових породах, і тоді можна припустити що їх залишили не ДНК-овие організми, а РНК-овие.

Ми говорили про етапи розвитку життя на землі, говорили, що спочатку з'явилися прокаріоти, потім еукаріоти, багатоклітинні, потім соціальні організми, потім людське суспільство. Іноді запитують: а чому бактерії ще існують? Чому більш досконалі організми (еукаріоти) не витіснили прокаріотів. На самом справі еукаріоти не можуть жити без прокаріотів, адже еукаріоти виникли на Землі, де вже жили бактерії, вони вбудовані в цю систему. Еукаріоти їдять бактерій, споживають те, що зробили бактерії, вони пристосовані саме до життя, яку їм створили бактерії. Якщо прокаріотів прибрати, то впаде фундамент життя на Землі. Кожний новий, більш складний інтегративний рівень життя виникав на основі вже що склалася попередньої системи, пристосовувався до неї, і без неї існувати вже не міг.

Різноманітність бактерій велике, вони використовують дуже різні хімічні реакції як джерела енергії. По суті в сучасній біосфері всі геохімічні цикли контролюються в основному бактеріями. Зараз вони ведуть деякі ключові реакції, наприклад, цикл заліза, цикл сірки, фіксацію азоту. Ніхто, крім бактерій, не може з атмосфери дістати азот і включити до складу власних молекул.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://bio.fizteh.ru