ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕБИОТИКОВ: ГДЕ ЭТО ПРОИЗОШЛО И ЧТО НУЖНО - БИОЛОГИЯ - 2025

Термин « пребиотическая эволюция» относится к серии гипотетических сценариев, которые стремятся объяснить происхождение жизни, начиная с неживой материи в окружающей среде в примитивных условиях.

Было высказано предположение, что условия примитивной атмосферы были сильно восстановительными, что способствовало образованию органических молекул, таких как аминокислоты и пептиды, которые являются строительными блоками белков; пурины и пиримидины, составляющие нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК.

Источник: pixabay.com

Примитивные условия

Представление о том, как первые формы жизни возникли на Земле, может быть сложным - и даже почти невозможным - вопросом, если мы не поместим себя в правильную примитивную среду.

Таким образом, ключ к пониманию жизни из абиотических молекул, взвешенных в знаменитом «примитивном супе», - это атмосфера в этой удаленной среде.

Хотя нет полного согласия относительно химического состава атмосферы, поскольку нет возможности подтвердить его полностью, гипотезы варьируются от восстанавливающих составов (CH ₄ + N ₂ , NH ₃ + H ₂ O или CO ₂ + H ₂ + N ₂ ) в более нейтральную среду (только с CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Принято считать, что атмосфере не хватало кислорода (этот элемент значительно увеличил свою концентрацию с появлением жизни). Для эффективного синтеза аминокислот, пуринов, пиримидинов и сахаров необходимо присутствие восстанавливающей среды.

Если в реальной атмосфере в то время не было этих пребиотических химических условий, органические соединения должны были происходить из частиц пыли или других космических тел, таких как метеориты.

Где произошла эволюция пребиотиков?

Существует несколько гипотез относительно физического пространства на Земле, которые позволили разработать первые биомолекулы и репликаторы.

Теория, которая получила значительное распространение при первоначальном образовании биомолекул в гидротермальных жерлах океана. Однако другие авторы считают это маловероятным и дискредитируют эти области как важные агенты в синтезе пребиотиков.

Теория предполагает, что химический синтез происходил при прохождении воды в пределах градиента от 350 ° C до 2 ° C.

Проблема с этой гипотезой возникает из-за того, что органические соединения разлагаются при высоких температурах (350 ° C), а не синтезируются, что предполагает менее экстремальные условия окружающей среды. Так что гипотеза потеряла поддержку.

Что нужно для эволюции пребиотиков?

Чтобы провести исследование, связанное с эволюцией пребиотиков, необходимо ответить на ряд вопросов, которые позволяют нам понять возникновение жизни.

Мы должны спросить себя, какой тип каталитического процесса способствовал возникновению жизни и откуда была взята энергия, способствовавшая первым реакциям. Отвечая на эти вопросы, мы можем пойти дальше и спросить, были ли первые молекулы мембранами, репликаторами или метаболитами.

Теперь мы ответим на каждый из этих вопросов, чтобы понять возможное происхождение жизни в пребиотической среде.

Катализаторы

Жизнь, как мы ее знаем сегодня, требует для своего развития ряда «умеренных условий». Мы знаем, что большинство органических существ существуют там, где температура, влажность и pH физиологически приемлемы - за исключением экстремофильных организмов, которые, как следует из их названия, живут в экстремальных условиях.

Одна из наиболее важных характеристик живых систем - повсеместное распространение катализаторов. Химические реакции живых существ катализируются ферментами: сложными молекулами белковой природы, которые увеличивают скорость реакций на несколько порядков.

У первых живых существ должна была быть похожая система, вероятно, рибозимы. В литературе остается открытым вопрос, могла ли эволюция пребиотиков происходить без катализа.

Согласно имеющимся данным, в отсутствие катализатора биологическая эволюция была бы крайне маловероятной, поскольку для возникновения реакций потребовались бы огромные промежутки времени. Следовательно, их существование постулируется на ранних этапах жизни.

энергии

Энергия для синтеза пребиотиков должна была откуда-то появиться. Предполагается, что некоторые неорганические молекулы, такие как полифосфаты и тиоэфиры, могли играть важную роль в производстве энергии для реакций - во времена, когда еще не существовало знаменитой энергетической «валюты» клеток: АТФ.

С энергетической точки зрения репликация молекул, несущих генетическую информацию, - очень дорогостоящее мероприятие. Для средней бактерии, такой как E. coli, для одного события репликации требуется 1,7 * 10 ¹⁰ молекул АТФ.

Благодаря наличию этой чрезвычайно высокой цифры наличие источника энергии является неоспоримым условием для создания вероятного сценария возникновения жизни.

Точно так же существование реакций «окислительно-восстановительного» типа могло способствовать абиотическому синтезу. Со временем эта система может стать важным элементом транспорта электронов в ячейке, связанным с производством энергии.

Какой из клеточных компонентов возник первым?

В ячейке есть три основных компонента: мембрана, которая ограничивает пространство ячейки и превращает его в дискретную единицу; репликаторы, хранящие информацию; и метаболические реакции, которые происходят в этой системе. Функциональная интеграция этих трех компонентов дает начало клетке.

Поэтому в свете эволюции интересно задать вопрос, кто из трех возник первым.

Синтез мембран кажется простым, поскольку липиды спонтанно образуют везикулярные структуры, способные расти и делиться. Везикула позволяет хранить репликаторы и сохраняет концентрацию метаболитов.

Теперь дебаты сосредоточены на лидерстве репликации против метаболизма. Те, кто придает большее значение репликации, утверждают, что рибозимы (РНК с каталитической силой) были способны реплицироваться, и благодаря появлению мутаций могла возникнуть новая метаболическая система.

Противоположная точка зрения подчеркивает важность образования простых молекул, таких как органические кислоты, присутствующие в цикле трикарбоновых кислот, для горения при умеренных источниках тепла. С этой точки зрения на первых этапах эволюции пребиотиков были задействованы эти метаболиты.

Ссылки

1. Андерсон, П. У. (1983). Предлагаемая модель эволюции пребиотиков: использование хаоса. Слушания Национальной академии наук, 80 (11), 3386-3390.
2. Хогевег П. и Такеучи Н. (2003). Многоуровневый отбор в моделях эволюции пребиотиков: компартменты и пространственная самоорганизация. Истоки жизни и эволюция биосферы, 33 (4-5), 375-403.
3. Ласкано А. и Миллер С.Л. (1996). Происхождение и ранняя эволюция жизни: химия пребиотиков, мир пре-РНК и время. Ячейка, 85 (6), 793-798.
4. Маккенни, К., и Альфонсо, Дж. (2016). От пребиотиков до пробиотиков: эволюция и функции модификаций тРНК. Жизнь, 6 (1), 13.
5. Сильвестр, Д.А., и Фонтанари, Дж. Ф. (2008). Модели пакетов и информационный кризис эволюции пребиотиков. Журнал теоретической биологии, 252 (2), 326-337.
6. Вонг, JTF (2009). Пребиотическая эволюция и астробиология. CRC Press.