Atklājumi.lv

Dzīvības izcelšanās uz Zemes: ieskats jaunākajos pētījumos

Viena no lielākajām mīklām, ko zinātne cenšas atminēt, ir dzīvības izcelšanās uz Zemes. Kā ģeoloģija pārtapa par bioloģiju? No kurienes radās pirmās organiskās vielas? Kā vienkāršās vielas apvienojās sarežģītās, izveidojot tik grandiozas makromolekulas kā piemēram katras dzīvās būtnes ģenētisko informāciju nesošo DNS? Skaidras, viennozīmīgas atbildes uz šiem jautājumiem pagaidām vēl nav, taču regulāri tiek publicēti zinātniskie pētījumi, kas ik reizi paplašina mūsu izpratni par bioģenēzi, skaidrojot, kādi dzīvības aizsākumiem svarīgi procesi un reakcijas varēja notikt gan kosmosā, gan uz Zemes. Šajā rakstā aplūkosim trīs šopavasar klajā nākušas publikācijas. Pirmās autori sniedz jaunus eksperimentālus pierādījumus šobrīd jau visai pārliecinošajai hipotēzei, ka aminoskābes uz Zemes varēja atnest kosmiskie klejotāji - komētas un meteorīti, otrajā stāsta par citu eksperimentālu atklājumu, kas demonstrē, kā no kosmisko ķermeņu atnestā materiāla varēja rasties salīdzinoši vienkāršs fosfora savienojums, kas agrīnās "ķīmiskās dzīvības" vienībām, iespējams, kalpoja par enerģijas "bateriju", bet trešajā pierāda, ka svarīgo lomu RNS - DNS "vecākās māsas" - katalītiskās aktivitātes uzturēšanā, ko šobrīd nodrošina magnijs, sākotnēji, laikā, kad Zemes atmosfērā vēl nebija skābeklis, varēja veikt dzelzs.

Dipeptīdi var rasties kosmosā

Kalifornijas universitātes Bērklijā un Havaju universitātes Manoa (ASV) ķīmiķiem izdevies eksperimentāli atveidot tālajā kosmosā esošus apstākļus un pierādīt, ka tie ir atbilstoši, lai varētu rasties dipeptīdi - dzīvības pamatķieģelīšu, aminoskābju savienoti pāri. Raksts par pētījumu publicēts izdevuma "The Astrophysical Journal" 10. marta numurā.

Līdz šim zinātnieki no dažādiem, uz Zemes nokritušiem meteorītiem bija izdalījuši tikai vairākas atsevišķas aminoskābes un citas vienkāršas organiskās vielas, bet nekad nebija atraduši sarežģītākus to savienojumus, bez kuriem dzīvība nevar pastāvēt. Atbilstoši, tika secināts, ka komplekso savienojumu veidošanās notikusi pirmatnējos Zemes okeānos.

Lai pārbaudītu savu hipotēzi, zinātnieki vakuuma tilpnē, kur bija ievietota ūdeni, amonjaku, oglekļa dioksīdu un dažādus ogļhidrātus, kā piemēram, metānu, etānu un propānu saturoša meteorīta imitācija pazemināja temperatūru līdz 10 grādiem virs absolūtās nulles (10 Kelvina grādi). Tad šis veidojums, lai imitētu kosmisko starojumu, tika apšaudīts ar augstas enerģijas elektroniem. Elektronu apšaude ledus bumbā izraisīja ķīmiskas reakcijas un sintezēto vielu vidū, kuras noteica ar Marsa organisko analizētāju (Mars Organic Analyzer) - īpaši mazu, uz Marsa, iespējams, esošu organisko molekulu noteikšanai izstrādātu instrumentu - bija gan deviņas dažādas aminoskābes, gan arī vismaz divi dipeptīdi, kas kā katalizatori varēja piedalīties Zemes bioloģiskajā evolūcijā.

Pirmās protošūnu enerģijas baterijas radās no meteorītu fosfora

Dzīvībai tomēr nepietiek tikai ar nukleīnskābju pāriem, kas tālāk apvienojoties veido proteīnus, vajadzīga arī enerģija metaboliskajām reakcijām, vielu sintēzei un transportam - visu uz Zemes dzīvojošo organismu šūnās to nodrošina adenozīna trifosfāts (ATF), taču, kā 15. martā žurnālā "Geochimica et Cosmochimica Acta" publicētā rakstā norāda Līdsas universitātes (Lielbritānija) pētnieki, protošūnu "ķīmiskās dzīvības" periodā tik sarežģīta viela, kuras sintēzei un sadalīšanai nepieciešami daudzi enzīmi, nevarēja pastāvēt. Tās vietā vajadzēja būt kādam līdzīgam, bet vienkāršākam, bez enzīmu palīdzības enerģiju pārnesošam fosfora bāzes savienojumam. Uz Zemes esošais fosfors šādu vielu tomēr diez vai varēja veidot - tas ir ķīmiski mazaktīvs un lielākoties nešķīst ūdenī. Tātad vienīgā vieta, kur atlika hipotētiski meklēt aktīvāku fosfora savienojumu ir debesis, jeb, precīzāk, kosmiskie ķermeņi, kas planētas agrīnajā vēsturē bieži bombardēja tās virsmu. Kā kandidātvielu zinātnieki izvirzīja meteorītos un kosmiskajos putekļos sastopamo dzelzs-niķeļa-fosfora minerālu šreibersītu.

Lai pārbaudītu hipotēzi, simulējot meteorīta ietriekšanos vulkāniski aktīvās agrīnās Zemes virsmā, pētnieki paņēma gabaliņus no Sibīrijā, Habarovskas apgabalā 1947.g. nokritušā Sihot-Alīnas dzelzs meteorīta un ievietoja tos traukā ar skābu ūdeni no Hveradalūras ģeotermiskajiem avotiem Īslandē. Meteorīta gabaliņiem četras dienas ļāva reaģēt avota apstākļos un tad vēl 30 dienas istabas temperatūrā.

Analizējot iegūtā šķīduma sastāvu, pētnieki tajā atrada pirofosfītu - enerģijas pārnesi nodrošinošās ATF sastāvdaļas, pirofosfāta, molekulāro "radinieku". Tieši šī viela, iespējams, ir atslēga tam, pagaidām neizprotamajam procesu kopumam, kas "ķīmisko dzīvību" pārvērta bioloģiskajā. Kā tieši tas varēja notikt, to Līdsas ķīmiķi, izmantojot universitātes Inženierzinātņu fakultātes laboratorijas aprīkojumu, kas pašlaik tiek lietots degvielas šūnu izmēģinājumiem, pētīs kopā ar amerikāņu kolēģiem no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta. Eksperimentu gaitā, izmantojot uz agrīnās Zemes plaši izplatītus minerālus un gāzes, zinātnieki centīsies izveidot "ģeoloģisku degvielas šūnu".

Tuvākajā laikā pētnieku komanda plāno arī doties uz Disko salu Grenlandē, kur ir vienīgā zināmā šreibersīta dabiskā atradne uz Zemes. Zinātnieki tur vēlas atkārtot savu eksperimentu, lai pierādītu, ka pirofosfītu var arī iegūt, izmantojot tikai mūsu planētas iežos esošus reaģentus.

Par fosfora atradumu nesen ziņoja arī NASA komanda, kas strādā ar Marsa visurgājēju zondi "Zinātkāre". "Ja viņi ir atraduši tādu pašu fosfora formu, kādu mēs ieguvām savā eksperimentā Īslandē," stāsta viens no pētījuma autoriem dr. Terijs Kī, "tas varētu liecināt, ka vides apstākļi uz Marsa, līdzīgi kā uz Zemes kādā laika periodā bijuši labvēlīgi dzīvības attīstībai."

RNS katalizētas metaboliskās reakcijas uz agrīnās Zemes varēja notikt pateicoties dzelzij

Atbilstoši šobrīd plaši atzītai RNS pasaules hipotēzei, par kuras autoru Karlu Vēsu mēs rakstījām šī gada februārī, dzīvības agrīno formu attīstībā svarīga nozīme bija ribonukleīnskābei (RNS), kura, ieslēgta "pirmatnējā zupā" izveidojušās protošūnās jeb protobiontos, varēja saglabāt ģenētisko informāciju un darboties kā katalizējošs enzīms tādos procesos kā vienkāršu vielu sintēze un ķīmisko saišu veidošana. RNS salocīšanās (kas ir būtisks priekšnoteikums reakciju daudzveidībai) un katalīze šobrīd notiek divvērtīgā magnija jona (Mg2+) klātbūtnē, taču dzīvības pastāvēšanas pirmajos 1,5 miljardos gadu uz Zemes valdīja bezskābekļa apstākļi (t.i. - atmosfērā nebija brīva skābekļa gāze, tas bija saistīts galvenokārt ūdens molekulās) un tajā bija liela ūdenī izšķīduša divvērtīgā dzelzs (Fe2+) pārpilnība. Kā eksperimentāli noskaidroja Džordžijas Tehnoloģiju institūtā bāzētā NASA Astrobioloģijas institūta Ribosomu izcelšanās un evolūcijas izpētes centra un citu institūciju zinātnieki, bezskābekļa vidē, atdalot Mg2+ un to aizvietojot ar Fe2+ RNS katalītiskās īpašības paplašinās. Fe2+ dažiem RNS paveidiem izrādās piešķir iepriekš nezināmas viena elektrona pārneses īpašības, kas ir svarīgi, lai varētu notikt metaboliskās reakcijas. Raksts par pētījumu 19. maijā publicēts žurnāla "Nature Chemistry" tīmekļa versijā.

Eksperimenta ietvaros, lai noteiktu elektronu pārnesi RNS šķīdumos (ar Mg2+ un Fe2+), pētnieki izmantoja standarta peroksīda testu. Dzelzs klātbūtnē viena elektrona pārnesi novēroja 10 RNS veidiem un no tiem izdalīja divus, plašāk sastopamos un, domājams, vissenākos RNS tipus - 23S ribosomālo RNS (bakteriālās ribosomas sastāvdaļa) un pārneses RNS (Transfer RNA - tRNA) , kuru šķīdumos pārnese notika visefektīvāk. Tajā pat laikā nevienā no RNS šķīdumiem ar pievienotu magniju bezskābekļa apstākļos elektronu pārnese nenotika vispār.

"Mūsu pētījums ļauj pieņemt, ka RNS katalītiskā nozīme uz agrīnās Zemes bija daudz lielāka nekā mūsdienu apstākļos," saka viens no raksta autoriem, Džordžijas universitātes ķīmijas profesors Lorens Viljamss. "Savos eksperimentos esam atklājuši latentu RNS funkciju."

Pakāpeniska pāreja no dzelzs uz magniju RNS salocīšanā un katalītiskās aktivitātes nodrošināšanā, pētnieki uzskata, notika laikā, kad atmosfērā, pēc tam, kad zilaļģes (cianbaktērijas) izveidoja fotosintēzes procesu enerģijas un barības vielu iegūšanai no gaismas, oglekļa dioksīda un ūdens, sāka ieplūst brīvais skābeklis, kas sāka aktīvi reaģēt ar dzelzi, izmainot tā ķīmiskās īpašības, tostarp piešķirot toksicitāti attiecībā pret attīstītākiem organismiem.

Aplūkotais "Nature Chemistry" publicētais raksts ir izvērsums iepriekš uzsāktam plašam pētījumam, kura rezultāti tika publicēti žurnālā "PLoS One" 2012.g. 31. maijā. Šajā darbā Viljamsa komanda aprakstīja ne tikai eksperimentu rezultātus, bet sniedza arī plašu teorētisku, aprēķinos balstītu pamatojumu dzelzs spējai aizvietot magniju RNS salocīšanā un katalītisko spēju piešķiršanā, neizmainot tās funkcionālās īpašības.

Attēlā: Džordžijas universitātes Ķīmijas un bioķīmijas skolas pēcdoktorantūras pētnieks Chiaolong Hsiao un profesors Lorens Viljamss uz gaismas stenda pārbauda trauku ar poliakrilamīda gelu un dzelzs šķīdumu, lai noteiktu vai RNS tajā saglabā strukturālo uzbūvi. Publicitātes foto. Autors: Gerijs Mīks.

Avoti:

R. I. Kaiser, A. M. Stockton, Y. S. Kim, E. C. Jensen, R. A. Mathies. ON THE FORMATION OF DIPEPTIDES IN INTERSTELLAR MODEL ICES. The Astrophysical Journal, 2013; 765 (2): 111 DOI: 10.1088/0004-637X/765/2/111

David E. Bryant, David Greenfield, Richard D. Walshaw, Benjamin R.G. Johnson, Barry Herschy, Caroline Smith, Matthew A. Pasek, Richard Telford, Ian Scowen, Tasnim Munshi, Howell G.M. Edwards, Claire R. Cousins, Ian A. Crawford, Terence P. Kee, Hydrothermal modification of the Sikhote-Alin iron meteorite under low pH geothermal environments. A plausibly prebiotic route to activated phosphorus on the early Earth, Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume 109, 15 May 2013, Pages 90-112, ISSN 0016-7037, 10.1016/j.gca.2012.12.043.

Chiaolong Hsiao, I-Chun Chou, C. Denise Okafor, Jessica C. Bowman, Eric B. O'Neill, Shreyas S. Athavale, Anton S. Petrov, Nicholas V. Hud, Roger M. Wartell, Stephen C. Harvey, Loren Dean Williams. RNA with iron(II) as a cofactor catalyses electron transfer. Nature Chemistry, 2013; DOI: 10.1038/nchem.1649

Shreyas S. Athavale, Anton S. Petrov, Chiaolong Hsiao, Derrick Watkins, Caitlin D. Prickett, J. Jared Gossett, Lively Lie, Jessica C. Bowman, Eric O'Neill, Chad R. Bernier, Nicholas V. Hud, Roger M. Wartell, Stephen C. Harvey, Loren Dean Williams. RNA Folding and Catalysis Mediated by Iron (II). PLoS ONE, 2012; 7 (5): e38024 DOI: 10.1371/journal.pone.0038024