Biologer har funnet metabolske systemer som er eldre enn de første cellene

Biologer har funnet metabolske systemer som er eldre enn de første cellene
Biologer har funnet metabolske systemer som er eldre enn de første cellene
Anonim

Etter å ha studert metabolismen til primitive mikrober, famlet biologene etter spor etter et system som kan være forløperen til levende celler. Vi snakker om en kompleks selvopprettholdende syklus av biokjemiske reaksjoner, som ble grunnlaget for de første levende organismer.

Prestasjonen er beskrevet i en vitenskapelig artikkel publisert i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

Selv den mest primitive levende cellen er veldig kompleks. Det er vanskelig å tro at det kunne ha oppstått "ferdig" fra en blanding av de riktige kjemikaliene. Sannsynligvis ble cellene innledet av enklere systemer, også i stand til å multiplisere og utvikle seg, og i denne forstand leve. Etter hvert som de ble mer komplekse og forbedret under presset av naturlig seleksjon, ga de opphav til de første cellene.

Hva slags systemer kan det være? For nesten 50 år siden antydet den anerkjente biolog og medforfatter av en ny studie, Stuart Kauffman, at det dreide seg om autokatalytiske sykluser av kjemiske reaksjoner.

La oss forklare hva vi snakker om. Når de samme stoffene kan gå inn i forskjellige kjemiske reaksjoner, begynner konkurransen om startreagensene mellom reaksjonene. I hovedsak er naturlig utvalg slått på. Reaksjonen som går raskere vinner. Og de raskeste er reaksjoner, hvis produkt samtidig er en katalysator som akselererer forløpet av den samme reaksjonen (slike prosesser kalles autokatalytisk, det vil si at de ansporer seg).

Men hva skjer når alle tilgjengelige reagenser er oppbrukt? Reaksjonen vil selvfølgelig stoppe, det vil si at den "dør". For å forhindre at dette skjer, må det være reversibelt: sammen med den direkte prosessen, der utgangsstoffene omdannes til et produkt, må det også være en omvendt prosess, der produktet igjen "brytes ned" til reagenser.

Beregninger og eksperimenter viser at autokatalytiske kjemiske sykluser er i stand til å "multiplisere" og "utvikle seg", det vil si at de virkelig kan være livets forløpere.

Image
Image

Diagram over et selvopprettholdende autokatalytisk nettverk av kjemiske reaksjoner som kan være forløperen for livet. De originale komponentene er markert med rødt.

Illustrasjon av Joana C. Xavier.

Men hva slags reaksjonssykluser ga opphav til de første levende cellene? Ny artikkel medforfattere Mike Steel fra University of Canterbury i New Zealand og Wim Hordijk fra Konrad Lorenz Institute for Evolution and Cognitive Research har lagt frem en spennende hypotese.

De fant en hel klasse med kjemiske sykluser som var bemerkelsesverdig lik den faktiske metabolismen av levende celler. Forfatterne kalte dem refleksivt autokatalytiske matgenererte nettverk, eller FAR.

FAR er interessante ikke bare fordi de ligner virkelige biokjemiske prosesser. De er også enkle å starte med de nødvendige reagensene, det er verdt å presse systemet litt ved å legge til en innledende katalysator til det.

"Dette er hva fysikere kaller selvorganisering, en slags hellig gral i studiet av livets opprinnelse," forklarer Hordejk.

Forfatterne av den nye artikkelen satte seg for å søke etter RAF i metabolismen av primitive mikrober. De fokuserte på bakterier og archaea som ikke trenger oksygen, siden gratis oksygen dukket opp på jorden milliarder av år etter de første levende organismer og dessuten som et produkt av deres aktivitet.

De fant flere forskjellige RAFer i metabolismen av visse mikrober. Det mest komplekse av de funnet systemene inkluderer 1335 reaksjoner. Omtrent samme antall prosesser bestemmer metabolismen til en moderne celle. Forskerne var imidlertid først og fremst interessert i de enkleste syklusene, som kan være forgjengerne til komplekse.

I mikrober, som mottar energi fra absorpsjon av hydrogen og karbondioksid (begge var tilstede i overflod på den tidlige jorden), har eksperter funnet to enklere RAF -systemer, som imidlertid er i stand til å utføre de grunnleggende funksjonene i metabolismen. Den første er tilstede i organismer som produserer metan og inneholder 209 reaksjoner. Den andre er karakteristisk for mikrober som frigjør acetat og består av 394 reaksjoner.

I dette tilfellet er 172 reaksjoner vanlige for begge settene. De finnes både i bakterier og i archaea, og går tilsynelatende tilbake til den siste felles stamfar til alle levende ting.

I motsetning til nesten alle biokjemiske reaksjoner krever de isolerte prosessene ikke store og komplekse proteinmolekyler som katalysatorer. Mye enklere stoffer er nok for dem - kofaktorer og metallpartikler. Likevel syntetiserer de aminosyrer (byggesteiner av proteiner) og nitrogenholdige baser (en av hovedkomponentene i DNA og RNA).

Disse biokjemiske syklusene er sannsynligvis eldre enn gener. Kanskje dette er den siste biokjemiske levningen fra prekellulær tid. Interessant nok lever mikrobene de ble funnet i geotermiske kilder.

Anbefalt: