Древнейшая ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
С какой точки ведется отсчет жизни? Источник иллюстрации: http://www.cyano-biotech.com
Андрей М. заморозки
Когда в далеком 1986-м году Вальтер Гилберт предложил свою знаменитую гипотезу "Мира РНК" - первоначальное жизнь была не белковое, а функцию генома выполняла не ДНК, то это имело эффект разорвавшейся бомбы! В научном мире начались брожения: одни горячо поддерживали идею Гилберта, это было свежее веяние в зашла в тупик белковой теории, а другие так же горячо отрицали ее, мол, что это чушь ... Однако, за последние три десятилетия, накопилось достаточно фактов на поддержку гипотезы "Мира РНК" и уже мало кто вслух отрицает ее. Но вопрос о происхождении жизни на этом не исчерпывается, а ставит новые задачи - как возникли живые существа на базе РНК? Из каких простых форм они эволюционировали? Где собственно начало жизни?
Более 3,5 миллиарда лет назад живые существа, в противовес нынешним, не имели ДНК и, в целом, были гораздо примитивнее по своей организации. Они вымерли, когда Землю колонизовувалы их эволюционно совершенные потомки бактерии, сине-зеленые водоросли и археи. Ученым, за ископаемыми, достоверно известно, что первые бактерии заселяли планету менее 3,4 миллиарда лет назад, сине-зеленые водоросли - 3,5 мильярдолить назад, а следы жизнедеятельности каких-то существ - 3,8-4 мильярдолить ... То есть, живые существа возникли сразу по образовании нашей планеты. Этот отрезок времени в 300-600 мильйонолить - время между появлением первого следует жизнедеятельности и первыми свидетельствами присутствия современных прокариот (безъядерных существ - авт.), - Скрывает наиболее весомые тайны эволюции и возникновения жизни в его нынешнем виде.
Строматолиты - древние из известных экосистем абсолютно не изменились за 3,5 мильярдолить. Источник иллюстрации: http://www.crikey-adventure-tours.com
Определяющим для существования всего живого есть процесс передачи и реализации наследственной информации. По упрощенной схеме он выглядит так, что на материнском цепи ДНК синтезируется дочерней, обеспечивая передачу информации. Реализация же происходит путем ее переписывания с ДНК на РНК, а затем на белок. А собственно белок определяет характеристики организма. Вся эта система, действительно, чрезвычайно сложной и реализуется благодаря огромному количеству механизмов, которые предотвращают сбои и ошибки, а в организменном масштабе - смерти. На вопрос: "Как все это возникло?", Креационисты отвечали: "Волей Божией!", В то время как ученые ищут более приземленное объяснение. Подсказкой стала сама РНК, ведь белок не синтезируется непосредственно с ДНК, и процесс репликации (удвоения) последней, невозможен без коротенькое цепочки - праймера РНК. Все эти РНК-посредники натолкнули ученых на мысль: "А что как живые организмы в далеком прошлом существовали не благодаря ДНК, а благодаря РНК?" Таким образом возникла гипотеза "Мира РНК", принято сегодня многими учеными за отправную точку эволюции современной жизни. Однако, РНК требует значительных затрат энергии на свой синтез, даже при самокатализу своего воспроизводства. Поэтому гипотеза «Мира РНК" сталкивается с трудностями именно в моментах постоянного поступления энергии для поддержания преобладание синтеза новых цепей над распадом старых и обеспечения эволюционного процесса ... Существует предположение, что "Мир РНК" возник на готовой базе определенных гипотетических предшественников, которые уже были живыми существами, правда, очень примитивными ... Вполне вероятно, что современная биология именно находится на пороге раскрытия этой тайны.
носток - одна из самых розповсюлджениших сине-зеленых водорослей и один из объектов исследования на естественный синтез компонентов ПНК. Источник иллюстрации: http://www.photomacrography1.net
Разгадка кроется в так называемых ПНК - пептидных нуклеиновых кислотах! Проще говоря, - белках, которые по строению и функциям являются аналогами нуклеиновых кислот - РНК и ДНК. Вполне вероятно, что именно ПНК образовывали геном первых живых существ на Земле. О побочное подтверждение такой гипотезы сообщили ученые в недавнейпубликациив журнале Общественной Научной Библиотеки (PLoS ONE). Они, как положено, взяли для своих исследований древние из известных нынешних существ - сине-зеленые водоросли, обнаружив в них синтез молекул несколько необычной аминокислоты N-(2-аминоэтил) глицина. Какую роль это вещество играет в сине-зеленых водорослей остается неизвестным, ведь до сих пор считалось, что у живых существ она не синтезируется вообще. Зато в лабораторных условиях это вещество очень давно известной и ее полимеры широко применяются в медицине и косметологии. Например, для повышения экспрессии генов при различных генетических нарушениях, антигенной и антисенсорнои терапии при иммунных и аллергических заболеваниях, в борьбе с раком, вирусами, бактериями, различными паразитами и во многих других случаях ... Интересный факт: N-(2-аминоэтил) глицин обнаружено в межзвездном льду, протопланетных облаках, кометах - он легко образуется под действием различного космического излучения. То есть, Земля, еще до своего возникновения была уже наполнена этим соединением ...
N-(2-аминоэтил) глицин. Источник иллюстрации: http.www.chemfrog.com
N-(2-аминоэтил) глицин очень легко полимеризуется при 100 ° С, образуя длинные линейные молекулы. Несмотря на то, что возникновение жизни сегодня ассоциируют с горячими геотермальными источниками - гейзерами, то последний факт имеет очень важное значение для спонтанного возникновения молекулярных биосистем! Это вещество легко сочетается с азотистыми основаниями, и образует ПНК. Практическое отсутствие следов этих полимеров в современных живых существ, ставит сферу исследований на рельсы исключительного теоретизирования, которое, правда, имеет сверхважное научное значение.
Сама по себе ПНК еще ничего не значит, ведь вес имеет только закодированная в ней информация. Как могла возникнуть система генетической информации при зарождении жизни? Очевидно, водоемы вокруг древних гейзеров напоминали горячий суп из органических соединений в том числе и ПНК. Очевидно, что возникновение первых ПНК и их эволюция происходили не в "микрокосм" жировых или каких-то органических капель, а все же открытом водной среде. Первые ПНК, независимо от длины цепей, должны были содержать совершенно случайные последовательности азотистых оснований, но в любом случае на одном и том же цепи находились комплиментарного участки, заставляли скручиваться их в найризноматниши конфигурациях, образуя своеобразные "комочки". Каждая такая "комочек" по тому же принципу комплиментарность взаимодействовала с другими, вследствие чего образовывались целые кластеры ПНК.
В бесконечных вариациях самых "комочков" и их кластеров непременно были, имевшие каталитическую свойство - это были первые энзимы, по аналогии с рибозимов. Они, например, могли катализировать бесконечное воспроизводство самих себя. В результате, их количество быстро увеличивалось и для каждого нового цикла самовоспроизведения всей их совокупности требовалось больше ресурсов - мономеров N-(2-аминоэтил) глицина (или его аналога - авт.) Соединенного с азотистыми основаниями, что порождало активную конкуренцию с ПНК, которые образовывались благодаря спонтанной полимеризации. Конечно, ПНК также разлагаются водой, поэтому естественный отбор шел путем "выживания" конфигураций, которые, кроме самокатализу, были и устойчивыми к разрушению водой. Следующий эволюционный шаг - это, наверное, было "хижакування", когда отдельные ПНК-энзимы сданы были разрушать других ПНК с целью получения мономеров N-(2-аминоэтил) глицина для своего "размножения". Ответом на агресоию стало образование защитных кластеров со структурными ПНК и собственными "хищниками". По мере разрастания таких кластеров, благодаря адгезии, они покрывались жировым слоем - протомембраною, это уже были древние протоклетки.
Входе эволюции роль ПНК на себя взяли РНК, ознаменовав начало "Мира РНК" http://www.biokemi.org
Но появление барьера между кластером и теперь уже внешней средой ограничивала доступ к ресурсам, повлекшее новый виток эволюции - развитие способов поглощения пищи: фагоцитоза и пиноцитоза. Липидная мембрана давала еще одно преимущество - защита от атак "хищных" ПНК, и наконец, к развитию активного обмена веществами с внешней средой и способностью к внутреннему катализування процессов синтеза необходимых соединений из более простых составляющих - так возник метаболизм, одним из основных признаков живых существ. Метаболизм обеспечил продукцию АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), что позволило обеспечить протоклетки энергией. Поскольку ПНК по своим свойствам является комплементраною к аналогичным молекул РНК, то у тех групп первобытных существ - протобионтов, что переписывали каталитическую информацию на эту нуклеиновую кислоту, появилось значительное преимущество в метаболизме и эволюционная перспектива. Ведь каталитическая активность РНК намного выше, и что интересно - РНК способна образовывать комплексы с аминокислотами, а некоторые - к синтезу белковых цепей. Белок же в свою очередь обеспечивал структуру в древних китлинах. Это был этап перехода от "Мира ПНК" до "Мира РНК", возникновение аппарата синтеза белка и хранения информации о нем в наследственных молекулах.
Изложенные выше соображения - это лишь догадки, которые требуют еще своего доказательства, однако, они могут быть вполне реальным сценарием появления и развития жизни на Земле. Тем более, что первые следы компонентов ПНК найдены в наиболее примитивных из сьогоденишних существ, а материал для их синтеза широко распространен в межзвездном льду ...
Живем ожиданиям, к концу этого десятилетия тайна происхождения жизни на Земле будет окончательно разгадана!
