En enklere oprindelse for livet


: "På et tidspunkt blev et særligt bemærkelsesværdigt molekyle dannet ved et uheld. Vi kalder det Replikatoren . Det kunne ikke have været det største eller mest komplekse molekyle rundt, men det havde den ekstraordinære egenskab at kunne skabe kopier af sig selv. " Da Dawkins skrev disse ord for 30 år siden, var DNA den mest sandsynlige kandidat til denne rolle. Som vi

: "På et tidspunkt blev et særligt bemærkelsesværdigt molekyle dannet ved et uheld. Vi kalder det Replikatoren . Det kunne ikke have været det største eller mest komplekse molekyle rundt, men det havde den ekstraordinære egenskab at kunne skabe kopier af sig selv. " Da Dawkins skrev disse ord for 30 år siden, var DNA den mest sandsynlige kandidat til denne rolle. Som vi skal se, er flere andre replikatorer nu blevet foreslået.

Da RNA rejste verden

Desværre indgår komplikationer snart. DNA-replikation kan ikke fortsætte uden hjælp af en række proteiner - medlemmer af en familie af store molekyler, som er kemisk meget forskellige fra DNA. Proteiner, som DNA, konstrueres ved at forbinde underenheder, aminosyrer i dette tilfælde sammen for at danne en lang kæde. Celler anvender tyve af disse byggesten i de proteiner, de fremstiller, hvilket giver en række forskellige produkter, der er i stand til at udføre mange forskellige opgaver - proteiner er livscyklerne til den levende celle. Deres mest berømte underklasse, enzymerne, fungerer som ekspeditører, fremskynde kemiske processer, der ellers ville finde sted for langsomt for at være til brug for livet.

Ovennævnte konto husker den gamle gåde: Hvad kom først, kyllingen eller ægget? DNA indeholder opskriften til proteinkonstruktion. Alligevel kan disse oplysninger ikke hentes eller kopieres uden hjælp af proteiner. Hvilket stort molekyle så da først op for at få livet i gang - proteiner (kyllingen) eller DNA (ægget)?

En mulig løsning opstod, da opmærksomheden skiftede til en ny mester - RNA. Denne alsidige klasse af molekyl er som DNA, samlet af nukleotidbyggesten, men spiller mange roller i vores celler. Visse RNA'er færger information fra DNA til strukturer (som selv er stort set bygget af andre former for RNA), der konstruerer proteiner. Ved udførelsen af ​​sine forskellige opgaver kan RNA tage form af en dobbelthelix, der ligner DNA eller en foldet enkeltstreng, ligesom et protein. I 2006 blev Nobelprisen i både kemi og medicin tildelt for opdagelser vedrørende RNA's rolle i redigering og censurering af DNA-instruktioner. Warren E. Leary kunne skrive i New York Times, at RNA "hurtigt kommer frem fra skyggerne af sin bedre kendte fætter DNA".

For mange forskere i livets oprindelsesfelt havde disse skygger løftet to årtier tidligere med opdagelsen af ​​ribozymer, enzymlignende stoffer fremstillet af RNA. En simpel løsning på kylling-og-æg-gåden syntes nu at falde på plads: Livet begyndte med udseendet af det første RNA-molekyle. I en germinal 1986-artikel skrev nobelpristageren Walter Gilbert fra Harvard University i tidsskriftet Nature : "Man kan overveje en RNA-verden, der kun indeholder RNA-molekyler, der tjener til at katalysere syntesen af ​​sig selv." Det første trin i evolutionen fortsætter derefter med RNA molekyler, der udfører de katalytiske aktiviteter, der er nødvendige for at samle sig fra en nukleotidsuppe. " I denne vision udførte den første selvreplikerende RNA, der opstod fra ikke-levende stof, de funktioner, der nu udføres af RNA, DNA og proteiner.

En række yderligere spor viste sig at understøtte ideen om, at RNA optrådte før proteiner og DNA i livets udvikling. Mange små molekyler, kaldet cofactors, spiller en nødvendig rolle i enzymkatalyserede reaktioner. Disse cofaktorer bærer ofte et fastgjort RNA-nukleotid uden nogen indlysende funktion. Disse strukturer er blevet betragtet som "molekylære fossiler", relikvier stammer fra det tidspunkt, hvor RNA alene, uden DNA eller proteiner, styrede den biokemiske verden. Derudover har kemikere været i stand til at syntetisere nye ribozymer, som viser en række enzymlignende aktiviteter. Mange forskere fandt ideen om en organisme, der påberåbte ribozymer, snarere end protein enzymer, meget attraktiv.

Hypotesen om, at livet begyndte med RNA, blev præsenteret som en sandsynlig virkelighed, snarere end en spekulation, i tidsskrifter, lærebøger og medier. Men de ledetegn, jeg kun har citeret, støtter kun den svagere konklusion, at RNA gik forud for DNA og proteiner; de giver ingen oplysninger om livets oprindelse, som kan have involveret stadier forud for RNA-verdenen, hvor andre levende enheder regerede højeste. Lige det samme og trods de vanskeligheder, som jeg vil diskutere i næste afsnit, måske to tredjedele af forskere, der udgiver i livets oprindelse (som dømt af et antal papirer, der blev offentliggjort i 2006 i tidsskriftet Livets og Evolutionens historie) af biosfæren ) støtter stadig ideen om, at livet begyndte med spontan dannelse af RNA eller et beslægtet selvkopierende molekyle. Forvirrende bruger forskere udtrykket "RNA World" for at henvise til både de stærke og de svage påstande om RNAs rolle forud for DNA og proteiner. Her vil jeg bruge betegnelsen "RNA først" til det stærke påstand om, at RNA var involveret i livets oprindelse.

Suppe Kedlen er tom

De attraktive træk ved RNA World bragte Gerald Joyce fra Scripps Research Institute og Leslie Orgel fra Salk Institute for at se det som "molekylærbiologens drøm" inden for et volumen, der er afsat til det pågældende emne. De brugte også udtrykket "præbiotisk kemikerens mareridt" til at beskrive en anden del af billedet: Hvordan opstod det første selvreplikerende RNA? Enorme forhindringer spærrer Gilberts billede af livets oprindelse, der er tilstrækkeligt til at provokere en anden nobelist, Christian De Duve fra Rockefeller University, at spørge retorisk: "Gjorde Gud RNA?"

RNAs byggesten, nukleotider, er komplekse stoffer som organiske molekyler går. De indeholder hver især et sukker, et phosphat og et af fire nitrogenholdige baser som subunderenheder. Således indeholder hvert RNA-nucleotid 9 eller 10 carbonatomer, talrige nitrogen- og oxygenatomer og phosphatgruppen, som alle er forbundet i et præcist tredimensionelt mønster. Der findes mange alternative måder til at lave disse forbindelser, hvilket giver tusindvis af plausible nukleotider, som let kunne være med i stedet for de standardiserede, men som ikke er repræsenteret i RNA. Dette tal er i sig selv dværget af hundredtusinderne til millioner af stabile organiske molekyler af tilsvarende størrelse, som ikke er nukleotider.

RNA-nucleotiderne er kendte for kemikere på grund af deres overflod i livet og deres resulterende kommercielle tilgængelighed. I en form for molekylær vitalisme har nogle videnskabsmænd antaget, at naturen har en medfødt tendens til at fremstille livets byggesten fortrinsvis snarere end horder af andre molekyler, som også kan stamme fra organisk kemi. Denne ide inspirerede fra et velkendt eksperiment, der blev offentliggjort i 1953 af Stanley Miller. Han anvendte en gnistudladning til en blanding af enkle gasser, der så blev antaget at repræsentere atmosfæren i den tidlige Jord. To aminosyrer i sæt af 20 anvendt til konstruktion af proteiner blev dannet i signifikante mængder, med andre fra det sæt, der var til stede i små mængder. (En beskrivelse af Miller-eksperimentet og de kemiske strukturer af en aminosyre og et nukleotid findes i "Livets oprindelse på jorden" af LE Orgel; Oktober 1994). Desuden er mere end 80 forskellige aminosyrer, nogle nuværende og andre fraværende fra levende systemer, er blevet identificeret som komponenter af Murchison-meteoritten, som faldt i Australien i 1969. Naturen har tilsyneladende været generøs i at levere disse særlige byggesten. Ved ekstrapolering af disse resultater har nogle forfattere antaget, at hele livets bygning kunne formes med lethed i Miller-type eksperimenter og var til stede i meteoritter og andre udenjordiske kroppe. Dette er ikke tilfældet.

En omhyggelig undersøgelse af resultaterne af analysen af ​​adskillige meteoritter førte forskerne, der gennemførte arbejdet til en anden konklusion: livløs natur har en forvirring mod dannelsen af ​​molekyler lavet af færre snarere end større antal carbonatomer og viser således ingen partiskhed til fordel for at skabe byggestenene i vores slags liv. (Når der produceres større carbonholdige molekyler, har de tendens til at være uopløselige, hydrogenfattige stoffer, som organiske kemikere kalder tærer.) Jeg har observeret et lignende mønster i resultaterne af mange gnistudladningsforsøg.

Aminosyrer, såsom dem, der er fremstillet eller fundet i disse eksperimenter, er langt mindre komplekse end nukleotider. Deres definerende egenskaber er en aminogruppe (et nitrogen og to hydrogener) og en carboxylsyregruppe (et carbon, to oxygener og et hydrogen), der begge er bundet til det samme carbon. Den enkleste af de 20, der bruges til at opbygge naturlige proteiner, indeholder kun to carbonatomer. 17 af sætet indeholder seks eller færre carbonatomer. Aminosyrerne og andre stoffer, der var fremtrædende i Miller-eksperimentet, indeholdt to og tre carbonatomer. Derimod er der ikke rapporteret nogen nukleotider af nogen art som produkter af gnistudladningsforsøg eller i undersøgelser af meteoritter eller har de mindre enheder (nucleosider), der indeholder sukker og base, men mangler phosphatet.

For at redde RNA-første koncept fra denne ellers dødelige defekt har dets advokater skabt en disciplin kaldet præbiotisk syntese. De har forsøgt at vise, at RNA og dets komponenter kan fremstilles i deres laboratorier i en række forsigtigt kontrollerede reaktioner, som normalt udføres i vand ved temperaturer, der observeres på jorden. En sådan sekvens ville normalt starte med carbonforbindelser, der var blevet fremstillet i gnistudladningsforsøg eller fundet i meteoritter. Observationen af ​​et bestemt organisk kemikalie i en hvilken som helst mængde (selv som en del af en kompleks blanding) i en af ​​de ovennævnte kilder ville retfærdiggøre sin klassificering som "præbiotisk", et stof, der angiveligt var blevet påvist at være til stede på den tidlige Jorden. Når først denne sondring er tildelt, kan kemikaliet derefter anvendes i ren form, i en hvilken som helst mængde, i en anden præbiotisk reaktion. Produkterne af en sådan reaktion vil også blive betragtet som "præbiotiske" og anvendes i det næste trin i sekvensen.

Anvendelsen af ​​reaktionssekvenser af denne type (uden nogen henvisning til livets oprindelse) har længe været en hædret praksis inden for det traditionelle område af syntetisk organisk kemi. Min egen ph.d.-afhandling rådgiver, Robert B. Woodward, blev tildelt Nobelprisen for sine strålende synteser af kinin, kolesterol, chlorophyll og mange andre stoffer. Det havde lidt betydning, hvis der var brug for kilogram udgangsmateriale til fremstilling af milligram af produkt. Pointen var den demonstration, at mennesker kunne producere, men ineffektivt, stoffer der findes i naturen. Desværre var hverken kemikere eller laboratorier til stede på den tidlige Jorden for at producere RNA.

Jeg vil nævne et eksempel på præbiotisk syntese, offentliggjort i 1995 af Nature og fremhævet i New York Times . RNA-basecytosinet blev fremstillet i højt udbytte ved at opvarme to oprensede kemikalier i et forseglet glasrør ved 100 grader Celsius i ca. en dag. Et af reagenserne, cyanoacetaldehyd, er et reaktivt stof, der er i stand til at kombinere med en række fælles kemikalier, der måske har været til stede på den tidlige Jorden. Disse konkurrenter blev udelukket. En ekstrem høj koncentration var nødvendig for at koagulere den anden deltager, urea, for at reagere med en tilstrækkelig hastighed til reaktionen for at lykkes. Produktet, cytosin, kan selvdestrudere ved simpel reaktion med vand. Når urinstofkoncentrationen blev sænket, eller hvis reaktionen tillod at fortsætte for længe, ​​blev enhver cytosin, der blev fremstillet, efterfølgende ødelagt. Denne destruktive reaktion var blevet opdaget i mit laboratorium som led i min fortsatte forskning i miljøskader på DNA. Vores egne celler håndterer det ved at opretholde en række enzymer, der specialiserer sig i DNA-reparation.

Den usædvanligt høje urinstofkoncentration blev rationaliseret i Naturpapiret ved at påberåbe sig en vision om tørring af laguner på den tidlige Jorden. I en offentliggjort genbekræftelse beregnede jeg, at en stor lagune skulle fordampes til størrelsen af ​​en pølse uden at tabe dens indhold for at opnå denne koncentration. Der findes ingen sådan funktion på Jorden i dag.

Tørringen lagunen krav er ikke unik. I en lignende ånd har andre præbiotiske kemikere påberåbt frysende glacial søer, ferskvandsdammer i bjergene, strømmende vandløb, strande, tørre ørkener, vulkanske akviferer og hele det globale hav (frosset eller varmt som nødvendigt) for at understøtte deres krav om, at "nukleotidsuppe" nødvendigt for RNA-syntese ville på en eller anden måde være blevet til stede på den tidlige Jorden.

Den analogi, der kommer til at tænke på, er at en golfspiller, der har spillet en golfbold gennem en 18-hullers bane, antog derefter at bolden også kunne spille sig selv rundt om kurset i hans fravær. Han havde vist muligheden for arrangementet; det var kun nødvendigt at antage, at en kombination af naturlige kræfter (jordskælv, vind, tornadoer og oversvømmelser f.eks.) kunne give det samme resultat, givet tilstrækkelig tid. Ingen fysisk lov skal brydes for at spontan RNA-dannelse kan ske, men chancerne imod det er så enorme, at forslaget indebærer, at den ikke-levende verden havde et medfødt ønske om at generere RNA. De fleste videnskabelige oprindelsesledere, der stadig støtter RNA-første teori, accepterer enten dette begreb (implicit, hvis ikke eksplicit) eller føler, at de uhyre ugunstige odds simpelthen blev overvundet af held og lykke.

En enklere replikator?

Mange kemikere, der står over for disse vanskeligheder, har flygtet RNA-første hypotese som om det var en bygning i brand. En gruppe, der stadig er fanget af visionen af ​​selvkopierende molekyle, har valgt en udgang, der fører til lignende farer. I disse reviderede teorier opstod en enklere replikator først og styret liv i en "pre-RNA-verden". Der er blevet foreslået variationer, hvor baserne, sukkeret eller hele rygraden i RNA er blevet erstattet af enklere stoffer, mere tilgængelige for præbiotiske synteser. Formentlig ville denne første replikator også have de katalytiske evner af RNA. Fordi ingen spor af denne hypotetiske primale replikator og katalysator er blevet anerkendt hidtil i moderne biologi, skal RNA helt og fuldt have overtaget alle dets funktioner på et eller andet tidspunkt efter dets fremkomst.

Endvidere står det spontane udseende af en hvilken som helst sådan replikator uden hjælp fra en kemiker mod uoverensstemmelser, der dværger de involverede i fremstillingen af ​​en ren nukleotidsuppe. Lad os antage, at en suppe beriget i byggestenene af alle disse foreslåede replikatorer på en eller anden måde er blevet samlet under betingelser, der favoriserer deres forbindelse til kæder. De ville blive ledsaget af horder af defekte byggesten, hvis inddragelse ville ødelægge kædenes evne til at fungere som en replikator. Den enkleste fejlbehæftede enhed ville være en terminator, en komponent, der kun havde en "arm" tilgængelig til forbindelse, snarere end de to nødvendige for at understøtte yderligere vækst i kæden.

Der er ingen grund til at antage, at en ligegyldig karakter ikke ville kombinere enheder tilfældigt og producere et stort udvalg af hybridkort, terminerede kæder, snarere end den langt længere en af ​​ensartet rygradsmetri, der er nødvendig for at understøtte replikator og katalytiske funktioner. Sandsynlighedsberegninger kunne foretages, men jeg foretrækker en variation på en meget brugt analogi. Billede en gorilla (der kræves meget lange arme) på et enormt tastatur, der er forbundet med et tekstbehandlingsprogram. Tastaturet indeholder ikke kun de symboler, der anvendes på engelsk og europæisk sprog, men også et stort overskud trukket fra alle andre kendte sprog og alle symbolsætene gemt i en typisk computer. Chancerne for den spontane samling af en replikator i den ovenfor beskrevne pool kan sammenlignes med gorillas sammensætning, på engelsk, en sammenhængende opskrift til fremstilling af chili con carne. Med lignende overvejelser i betragtning konkluderede Gerald F. Joyce fra Scripps Research Institute og Leslie Orgel fra Salk Institute, at det spontane udseende af RNA-kæder på den livløse jord "ville have været et nært mirakel." Jeg vil udvide denne konklusion til alle de foreslåede RNA-erstatninger, som jeg nævnte ovenfor.

Livet med små molekyler

Nobelpristageren Christian de Duve har opfordret til "en afvisning af uhensigtsmæssigheder, så uoverkommelig høj, at de kun kan kaldes mirakler, fænomener, der falder uden for den videnskabelige undersøgelses anvendelsesområde." DNA, RNA, proteiner og andre udførlige store molekyler skal derefter afsættes som deltagere i livets oprindelse. Livløs natur giver os en række blandinger af små molekyler, hvis adfærd styres af videnskabelige love, snarere end ved menneskelig indgriben.

Heldigvis kan en alternativ gruppe teorier, der kan anvende disse materialer, eksisteret i årtier. Teorierne anvender en termodynamisk snarere end en genetisk definition af liv under en plan fremsat af Carl Sagan i Encyclopedia Britannica: En lokaliseret region, der øger rækkefølge (fald i entropi) gennem cyklusser, der drives af en energifløde, vil blive anset for levende. Denne lillemolekylære tilgang er forankret i ideerne fra den sovjetiske biolog Alexander Oparin, og de nuværende bemærkelsesværdige talsmænd er de Duve, Freeman Dyson fra Institut for Avanceret Studie, Stuart Kauffman fra Santa Fe Institute, Doron Lancet fra Weizmann Institute, Harold Morowitz af George Mason University og den uafhængige forsker Gnter Wchtershuser. Jeg skønner, at ca. en tredjedel af de kemikere, der er involveret i studiet af livets oprindelse, abonnerer på teorier baseret på denne ide. Livets oprindelige forslag afviger i specifikke detaljer; her vil jeg forsøge at nævne fem fælles krav (og tilføje nogle egne ideer).

(1) Der er behov for en grænse for at adskille livet fra ikke-liv. Livet skelnes af sin store organisationsgrad, men den anden lov i termodynamikken kræver, at universet bevæger sig i en retning, hvor forstyrrelse eller entropi øges. Et smuthul tillader imidlertid entropi at falde i et begrænset område, forudsat at der sker en større forøgelse uden for området. Når levende celler vokser og formidler, konverterer de kemisk energi eller stråling til opvarmning på samme tid. Den frigivne varme øger miljøets entropi og kompenserer for faldet i levende systemer. Grænsen opretholder denne division af verden i lommer i livet og det ikke-levende miljø, hvor de skal opretholde sig selv.

I dag er sofistikerede dobbeltlagede cellemembraner fremstillet af kemikalier klassificeret som lipider, separate levende celler fra deres omgivelser. Da livet begyndte, tjente nogle naturlige træk sandsynligvis det samme formål. David W. Deamer fra University of California, Santa Cruz, har observeret membranlignende strukturer i meteoritter. Andre forslag har foreslået naturlige grænser, der ikke anvendes af livet i dag, såsom jernsulfidmembraner, mineraloverflader (hvor elektrostatiske interaktioner adskiller udvalgte molekyler fra deres omgivelser), små damme og aerosoler.

(2) En energikilde er nødvendig for at drive organisationsprocessen. Vi bruger kulhydrater og fedtstoffer, og kombinerer dem med ilt, som vi indånder, for at holde os i live. Mikroorganismer er mere alsidige og kan bruge mineraler i stedet for mad eller ilt. I begge tilfælde kaldes de omdannelser, der er involveret, af redoxreaktioner. De involverer overførsel af elektroner fra et elektron-rich (eller reduceret) stof til en elektron-fattig (eller oxideret) en. Planter kan optage solenergi direkte og tilpasse det til livets funktioner. Andre former for energi anvendes af celler i specialiserede forhold - for eksempel forskelle i surhed på modsatte sider af en membran. Men andre, såsom radioaktivitet og pludselige temperaturforskelle, kan bruges af livet andetsteds i universet. Her vil jeg overveje redox reaktioner som energikilde.

(3) En koblingsmekanisme skal forbinde frigivelsen af ​​energi til organisationsprocessen, som producerer og opretholder livet. Frigivelsen af ​​energi giver ikke nødvendigvis et nyttigt resultat. Kemisk energi frigives, når benzin brænder i min bils cylindre, men køretøjet vil ikke bevæge sig, medmindre denne energi bruges til at dreje hjulene. En mekanisk forbindelse eller kobling er påkrævet. Hver dag, i vores egne celler, nedbryder vi alle pund af et nukleotid kaldet ATP. Den energi, der frigives ved denne gunstige reaktion, tjener til at drive processer, der er mindre gunstige, men nødvendige for vores biokemi. Sammenkobling opnås, når reaktionerne deler et fælles mellemprodukt, og processen fremskyndes ved hjælp af et enzyms intervention. En antagelse af småmolekyletilgangen er, at koblede reaktioner og primitive katalysatorer tilstrækkelige til at få livet til at eksistere i naturen.

(4) Et kemisk netværk skal udformes for at muliggøre tilpasning og udvikling. Vi kommer nu til kernen i sagen. Forestil dig for eksempel, at en energisk gunstig redoxreaktion af et naturligt forekommende mineral er forbundet med omdannelsen af ​​et organisk kemisk A til en anden en B inden for et rum. Den gunstige, energibesparende, entropi-stigende reaktion af mineralet driver A-til-B-transformationen. Jeg kalder denne nøgleforvandling en chaufførreaktion, for den tjener som den motor, der mobiliserer organisationsprocessen. Hvis B blot omdanner tilbage til A eller undslipper fra rummet, ville vi ikke være på en sti, der fører til øget organisation. Hvis en kemostrøm med flere trin - f.eks. B til C til D til A - omdanner B til A, vil trinene i den cirkulære proces (eller cyklus) blive favoriseret, fordi de supplerer forsyningen af ​​A, tillader den fortsatte udledning af energi ved mineralreaktionen.

Hvis vi visualiserer cyklussen som en cirkulær jernbanelinje, holder energikilden togene rundt om den på en måde. Hver station kan også være nav for en række grenlinjer, såsom en forbindelsesstation D til en anden station, E. Togene kunne rejse i begge retninger langs den gren, udtømning eller forstærkning af cyklens trafik. Takket være den kontinuerlige udtømning af A er materialet imidlertid trukket fra D til A. Den resulterende udtømning af D har til gengæld tendens til at trække materiale fra E til D. På denne måde trækkes materiale "ud" langs grenlinjen ind i det centrale cyklus, der maksimerer den energiudgivelse, der ledsager førerreaktionen.

Cyklusen kunne også tilpasse sig skiftende omstændigheder. Som barn blev jeg fascineret af den måde, hvorpå vand, der blev frigivet fra en lækager, ville finde en vej ned ad bakke til nærmeste kloak. Hvis faldende blade eller faldet affald spærrede den vej, ville vandet genopbygge, indtil der var fundet en anden rute omkring forhindringen. På samme måde, hvis en ændring i surhedsgraden eller i nogle andre miljømæssige forhold skulle forhindre et trin i vejen fra B til A, ville materialet sikkerhedskopiere, indtil der blev fundet en anden rute. Yderligere ændringer af denne type ville konvertere den oprindelige cyklus til et netværk. Denne forsøgs- og fejlfejlundersøgelse af det kemiske "landskab" kan også opstå forbindelser, der kan katalysere vigtige trin i cyklen, hvilket øger effektiviteten, som netværket udnyttede energikilden til.

(5) Netværket skal vokse og reproducere. For at overleve og vokse, skal netværket få materiale til en hastighed, der kompenserer for de stier, der fjerner den. Diffusion af netværksmaterialer ud af rummet til den ydre verden er begunstiget af entropi og vil forekomme i en vis grad, især i starten af ​​livet, når grænsen er en rå, der er etableret af miljøet snarere end en af ​​de yderst effektive cellemembraner, der er tilgængelige i dag efter milliarder af evolutionsår. Nogle bivirkninger kan producere gasser, som undslipper eller danner tærer, som falder ud af opløsningen. Hvis disse processer sammen bør overstige den hastighed, hvormed netværket får materiale, vil det blive slukket. Udmattelse af det eksterne brændstof ville have samme virkning. Vi kan forestille os på den tidlige Jord, en situation hvor mange opstart af denne type forekommer, der involverer mange alternative chauffereaktioner og eksterne energikilder. Endelig ville en særlig hårdførende rod tage rod og opretholde sig selv.

Et reproduktionssystem skal efterhånden udvikle sig. Hvis vores netværk er anbragt i en lipidmembran, så kan fysiske kræfter splitte det, efter at det er vokset nok. (Freeman Dyson har beskrevet et sådant system som en "skraldespandverden" i modsætning til RNA's "pæne og smukke scene".) Et system, der fungerer i et rum inden for et mineral, kan overflyde ind i tilstødende rum. Uanset hvad mekanismen kan være, beskytter denne spredning i adskilte enheder systemet fra total udslettelse af en lokal destruktiv begivenhed. Når uafhængige enheder blev oprettet, kunne de udvikle sig på forskellige måder og konkurrere med hinanden for råvarer; vi ville have gjort overgangen fra livet, der kommer fra nonliving materiel gennem en tilgængelig energikilde til et liv, der tilpasser sig dets miljø ved darwinistisk udvikling.

Ændring af paradigmet

Systemer af den type, jeg har beskrevet, er normalt klassificeret under overskriften "metabolisme først", hvilket indebærer, at de ikke indeholder en mekanisme til arvelighed. Med andre ord indeholder de ikke noget indlysende molekyle eller en struktur, der gør det muligt at duplikere de informationer, der er lagret i dem (deres arvelighed), og viderebringe dem til deres efterkommere. Men en samling små genstande har samme information som en liste, der beskriver emnerne. For eksempel giver min kone mig en indkøbsliste til supermarkedet; samlingen af ​​dagligvarevarer, som jeg vender tilbage til, indeholder de samme oplysninger som listen. Doron Lancet har givet navnet "kompositionsgenomet" til arvelighed lagret i små molekyler, snarere end en liste som DNA eller RNA.

Den lille molekylære tilgang til livets oprindelse gør flere krav til naturen (et rum, en ekstern energiforsyning, en drivreaktion koblet til den forsyning og eksistensen af ​​et kemisk netværk, der indeholder den reaktion). Disse krav er imidlertid generelt karakteristiske og er uhyre mere sandsynlige end de udførlige multi-trinsveje, der er nødvendige for at danne et molekyle, som kan fungere som en replikator.

I årenes løb har mange teoretiske papirer udviklet særlige metabolisme første ordninger, men relativt lidt eksperimentelt arbejde er blevet præsenteret til støtte for dem. I de tilfælde, hvor eksperimenter er blevet offentliggjort, har de normalt tjent til at påvise sandsynligheden for individuelle trin i en foreslået cyklus. Den største mængde nye data er måske kommet fra Gnter Wchtershuser og hans kolleger på Technische Universit Mnchen. De har demonstreret dele af en cyklus, der involverer kombinationen og adskillelsen af ​​aminosyrer, i nærvær af metalsulfidkatalysatorer. Den energiske drivkraft for transformationerne tilvejebringes ved oxidation af carbonmonoxid til carbondioxid. De har endnu ikke demonstreret driften af ​​en komplet cyklus eller dens evne til at opretholde sig selv og undergå yderligere udvikling. Et eksperiment med "rygepistol", der viser disse tre funktioner, er nødvendigt for at fastslå gyldigheden af ​​den lille molekyl-tilgang.

Hovedopgaven er identifikation af kandidatdriverreaktioner - små molekyltransformationer (A til B i eksemplet før), der er koblet til en rigelig ekstern energikilde (såsom oxidation af carbonmonoxid eller et mineral). Når først en sandsynlig driverreaktion er blevet identificeret, behøver det ikke at specificeres resten af ​​systemet på forhånd. De udvalgte komponenter (herunder energikilden) plus en blanding af andre små molekyler, der normalt produceres af naturlige processer (og sandsynligvis kunne have været rigelige på den tidlige jord) kunne kombineres i en egnet reaktionsbeholder. Hvis et udviklet netværk blev oprettet, ville vi forvente, at koncentrationen af ​​deltagerne i netværket vil stige og ændre sig med tiden. Nye katalysatorer, der øgede mængden af ​​centrale reaktioner, kunne forekomme, mens irrelevante materialer ville falde i mængde. Reaktoren ville have brug for en indgangsenhed for at muliggøre genopfyldning af energiforsyningen og råmaterialerne og et udløb for at muliggøre fjernelse af affaldsprodukter og kemikalier, der ikke var en del af netværket.

I sådanne forsøg vil fejlene let kunne identificeres. Energien kan blive spredt uden at frembringe nogen væsentlige ændringer i koncentrationerne af de andre kemikalier, eller kemikalierne kan simpelthen omdannes til en tjære, som ville tilstoppe apparatet. En succes kan vise de første trin på vejen til livet. Disse trin behøver ikke at duplikere dem, der fandt sted på den tidlige Jorden. Det er mere vigtigt, at det generelle princip bliver demonstreret og stillet til rådighed til videre undersøgelse. Mange potentielle veje til livet kan eksistere, med valget dikteret af det lokale miljø.

En forståelse af de første trin, der fører til livet, ville ikke afsløre de specifikke begivenheder, der førte til dagens DNA-RNA-proteinbaserede organismer. Men fordi vi ved, at udviklingen ikke foregriber fremtidige begivenheder, kan vi antage, at nukleotider første gang opstod i metabolismen for at tjene andre formål, måske som katalysatorer eller som beholdere til opbevaring af kemisk energi (nukleotidet ATP tjener stadig denne funktion i dag) . En eller anden chance begivenhed eller omstændighed kan have ført til forbindelsen af ​​nucleotider til dannelse af RNA. Den mest oplagte funktion af RNA i dag er at fungere som et strukturelt element, der hjælper med dannelsen af ​​bindinger mellem aminosyrer i syntesen af ​​proteiner. De første RNA'er kan have tjent samme formål, men uden nogen præference for specifikke aminosyrer. Mange yderligere trin i evolution ville være nødvendige for at "opfinde" de udførlige mekanismer til replikation og specifik proteinsyntese, som vi observerer i livet i dag.

Hvis det generelle lillemolekylparadigm blev bekræftet, ville vores forventninger til livets sted i universet ændre sig. En højst upålidelig start for livet, som i RNA-første scenarie, indebærer et univers, hvor vi er alene. I den hidtidige Jacques Monods ord, "Universet var ikke gravid med livet eller biosfæren med mennesket. Vores nummer kom op i Monte Carlo-spillet." Alternativet med små molekyler er imidlertid i overensstemmelse med biologen Stuart Kauffmans synspunkter: "Hvis dette er sandt, er livet langt mere sandsynligt end vi har antaget. Ikke alene er vi hjemme i universet, men vi er langt mere tilbøjelige til at dele det med ukendte ledsagere. "

ROBERT SHAPIRO er professor emeritus for kemi og seniorforsker ved New York University. Han er forfatter eller medforfatter af over 125 publikationer, primært inden for DNA kemi. Han og hans kolleger har især undersøgt, hvordan miljøkemikalier kan beskadige vores arvelige materialer og forårsage ændringer, der kan føre til mutationer og kræft. I 2004 blev han tildelt Trotterprisen i information, kompleksitet og indledning. Shapiro har skrevet fire bøger til offentligheden: Life Beyond Earth (med Gerald Feinberg); Origins, en skeptisk vejledning til skabelsen af ​​livet på jorden ; Den menneskelige tegning (på forsøg på at læse det menneskelige genom); og planetariske drømme (på søgen efter liv i vores solsystem). Når han ikke er involveret i forskning, forelæsning eller skrivning, nyder han løb, vandreture, vinsmagning, teater og rejser. Han er gift og har en 35-årig søn.

Trump rådgivere til at diskutere Paris klimaaftaleKan en robot, et insekt eller Gud være opmærksom?Deportere planter og dyr for at beskytte dem mod klimaændringerFolk i dårlige kvarterer puster mere farlige partiklerNyligt fundet Exoplanet kan have Ring System Dwarfing SaturnusConjoined Comet: Hartley 2 maj har dannet sig fra 2 forskellige organerDen berømte "HeLa" Human Cell Line får sin DNA sekvenseretKan e-cykler skifte biler?