PŮVOD ŽIVOTA NA ZEMI

Leslie E Orgel

Zuzana Kauerová2005/2006

1. ÚVOD

• Existují tři populární hypotézy, pokoušející se vysvětlit vznik prebiotických molekul:

1. Syntéza ve ztenčující se atmosféře2. Transport na povrchu meteoritů3. Syntéza na kovových sulfidech

v průduchách mořských hlubin

1.1 VZNIK ZEMĚ

• Stáří země = cca 4,5 miliardy let• Život na Zemi přítomen již před 3,8

miliardami let• Již před 3,5 miliardami let existovaly

organizmy podobné dnešním zelenomodrým řasám (zachovány mikrofosilie)

=> Pouze 0,7 miliardy let stačilo na vznik prapůvodní formy života!

1.2 PRAOTEC ORGANIZMUS

• Všechny organizmy pochází ze společného předchůdce – LCA (Last Common Ancestor)

• LCA žijící před 3,5-3,8 miliardami let měly srovnatelnou stavbu jako moderní bakterie

• Co však bylo zdroji malých organických molekul, které daly vznik prvním systémům schopných replikace?

• Jak se vyvinula biologická organizace z abiotického přísunu malých organických molekul?

2. ABIOTICKÁ SYNTÉZA MALÝCH ORGANICKÝCH

MOLEKUL

• Tři teorie:1. Miller-Ureyova teorie ztenčující se

atmosféry2. Srážková teorie (nejpopulárnější)3. Wächterhäuserova teorie

podmořských trhlin a kovových minerálů

2.1 Miller-Uryeova teorie

• V roce 1953 provedl Miller s kolegou Ureyem experiment:

• Vystavil směs metanu, amoniaku a vodíku elektrickému výboji a vedl produkty do tekuté vody. Prokázal, že značné procento uhlíku v plynné směsi se těsně spojilo do relativně malých skupin jednoduchých organických molekul a do několika přirozeně se objevujících aminokyselin, z nichž se některé vyskytují v živých organizmech.

•Miller-Ureyeův pokus:

Elektrody přivádí do směsi metanu, amoniaku, vodíku a vodní páry. Vzniká výboj, způsobující reakci, jejíž produkty jsou přiváděny do horké vody.

• Hlavní syntetický směr přes Streckerovu syntézu

• Příklady probíhajících reakcí:1. CH2O => cukry, včetně malého množství

ribózy (kat. Ca(OH)2)

2. CH4 + NH3 + H2O => aminokyseliny včetně glycinu (kat. elektrickým výbojem)

3. HCN => adenin (kat. vodným amoniakem)

4. Kyanoacetylen => pyrymidinové báze cytosinu a uracilu (kyanoacetylen vzniká působením elektrického výboje na směs metanu a dusíku)

• Podle následujících studií nikdy nemohlo dojít k takovému ztenčení atmosféry => tvorba prebiotické polévky biomonomerů tímto způsobem zamítnuta

2.2 Srážková teorie

• Založena na možnosti přenosu malých organických molekul prostřednictvím dopadajících meteoritů – tzv. uhlíkatých chondritů

• Obsahují nezanedbatelné množství organického uhlíku, některé ze standardních aminokyselin a nukleových kyselin a jejich bází

• Pravděpodobnost zachování jmenovaného materiálu při dopadu na Zemi je závislá na mnoha vnějších podmínkách (složení a hustota atmosféry, velikosti narážejících objektů, etc.) a experimentálně nelze ověřit => nepotvrzeno

2.3 Teorie podmořských trhlin a kovových minerálů• V podmořských trhlinách na zemském

povrchu se setkává extrémně horká voda, bohatá na ionty přechodných kovů a hydrogensulfidy, se studenou vodou

• Podle Wächterhäuserovy teorie by reakce mezi sulfidem železa (II) a hydrogensulfidem (reakce poskytuje pyrit – FeS a hydrogen) mohla poskytnout volnou energii, nezbytnou pro redukci oxidu uhličitého za vzniku molekul, schopných podporovat původ života

• Teorie však považuje za esenciální, že jmenované látky neunikají z povrchu hydrogensulfidu a že molekuly se samostatně zorganizovaly do funkčních celků

• Podle Wächterhäuserova názoru dokonce nikdy neexistovala prebiotická polévka

• Hypotéza nabývá významu pouze v případě, že by hydrogensulfid působil pouze jako redukční činidlo

3. „SAMOORGANIZACE“

• Dle všeobecně uznávané teorie byla RNA prvním genetickým materiálem a pramatkou všech dalších podobných molekul – tzv. světová RNA

• Dvě otázky: 1. Byla RNA prvním genetickým

materiálem nebo jí předcházel jeden či více genetických jednodušších materiálů?

2. Kolik samostatně organizovatelných reakčních sekvencí je možných v nepřítomnosti genetického materiálu?

3.1 Světová RNA

• Pro výzkum světové RNA jsou nejdůležitější reakce, ve kterých matriční RNA řetězce katalyzují syntézy svých vlastních komplementů z monomerů nebo krátkých oligomerů

• Podle Ferisse a jeho spolupracovníků se nejprve aktivované mononukleotidy naabsorbovaly na montmorillonitový nebo ekvivalentní minerál, a oligomerizovaly

• Následovalo kopírování vzorů použitím monomerů nebo krátkých oligomerů jako substrátů =>  akumulace knihovních dsRNA molekul

Ferissova teorie

• Nakonec se RNA dvoušroubovice, jejíž jeden z řetězců aktivoval RNA polymerázy, oddělil

• Polymerázový řetězec zkopíroval své komplementy => produkce sekundární polymerázové molekuly, která kopírovala tu první k získání druhého komplementu a tak dále

• Světová RNA mohla tudíž vzniknout z mnoha aktivovaných nukleoditů

• Podle Cairns-Smithe byl první formou života jakýsi jíl či hlína, sám schopný replikace

• Předpokládal, že syntéza organických molekul se stala součástí kompetitivní strategie jílového světa a že inorganický genom byl převzat jedním z organických výtvorů

• Hypotéza nenabyla významu

Cairns-Smithova teorie

3.2 Svět před RNA

• Jedinými potencionálními informačními systémy, vedoucími k nukleovým kyselinám (NK) moderní doby, jsou analogy RNA

Eschenmoserova teorie

• Eschenmoser a jeho kolegové se zabývali systematickým studiem vlastností analogů NK, ve kterých je ribóza nahrazena jiným cukrem nebo ve kterých je furanóza z ribózy je nahrazena pyranozovou formou

• Překvapivě, polynukleotidy založené na pyranosilovém izomeru ribózy (p-RNA) dávají vznik Watson-Crick-párovaným dvoušroubovicím, které jsou stabilnější než RNA

Nielsenova teorie

• Nielsen a kolegové syntetizovali další analog NK – peptid nukleové kyseliny (PNA)

• PNA = stabilní achirální analog RNA nebo DNA, bez náboje

• Při přímých reakcích matricového řetězce může být přenášena informace z PNA do RNA a naopak

• PNA-DNA chimerázy ochotně vytváří DNA nebo PNA matrice => přechod z PNA na světovou RNA je možný

Zvláštní metabolická teorie

• Několik autorů navrhlo, že metabolizmus přišel před genetikou

• Předpokládají, že organizace sekvenčních reakcí se může vyskytnout i v nepřítomnosti genetického polymeru a tedy že první genetický polymer se pravděpodobně objevil už ve specializovaném biochemickém prostředí

• Vzhledem k minimální pravděpodobnosti samostatné organizace bez genetického materiálu teorie opomíjena

4. ZÁVĚR• Existuje celá řada obhájitelných teorií

o původu organického materiálu na primitivní Zemi, ale žádný přesvědčivý doklad

• Která hypotéza je správná se snad ukáže časem, až budeme schopni přesně nasimulovat podmínky, které na Zemi před 3,8 miliardami let, alespoň co nejpravděpodobněji, vládly

Děkuji Vám za pozornost