ВУЛКАНІЧНА ГІПОТЕЗА ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ

Первісна Земля була дуже непривітним місцем, однак, саме негостинні умови для сучасного життя були необхідними для його виникнення... Джерело ілюстрації: http://www.dailymail.co.uk

Андрій М. ЗАМОРОКА

Півтора століття тому назад, видатний натураліст Чарльз Роберт Дарвін, підсумовуючи основні положення своєї теорії еволюції, припустив, що життя, ймовірно, зародилось десь у “…маленькому тепленькому ставочку…”, звідки розселилось по усій Землі. Його інтуїтивні міркування – не такі вже й безпідставні, і підтверджуються результатами сучасних досліджень. Однак, сьогодні існує багато різних візій виникнення живого із неживого, ключовою проблемою яких є виникнення процесу передачі спадкової інформації. У цім дописі, Станіславівський натураліст пропонує познайомитись із одним з можливих бачень процесу з’яви спадковості та виникнення життя.

Сучасна біологічна наука все ще немає однозначної відповіді на питання про те, як виникли живі істоти. Існує ціла низка гіпотез і візій, які часто доповнюють або заперечують одна іншу. Джерело ілюстрації: http://www.redicecreations.com

Сучасна наука, намагаючись віднайти відповідь на питання про самозародження життя, зіткнулась із низкою дуже серйозних, і майже, нездоланних проблем. Виявляється, практично, усі живі орґанізми на Землі побудовані із білків, інформація про які закодована у ДНК. Ця інформація, у живих істот, може передаватися лише в одному напрямку – з ДНК на білок, але не у зворотному. Саме тут криється найбільша із проблем: якщо життя зародилося у вигляді білкових молекул, то яким чином інформація про них з’явилася у ДНК? Другою проблемою виявився той факт, що ДНК не бере безпосередньої участі у синтезі білка, а на усіх етапах цього складного процесу ключові ролі відіграють різні молекули РНК. Зокрема, саме на них переписується інформація із ДНК, утворюється т.з. інформаційна РНК, яка її передає до клітинних орґанел рибосом (своєрідні фабрики із синтезу білка – авт.). Рибосоми, виявляється побудовані із рибосомальної РНК. Саме тут, до рибосомальної РНК, приєднується інформаційна РНК і транспортна РНК. Остання постачає амінокислоти – компоненти, з яких побудовані білки. І взагалі, ДНК не може синтезуватись у клітині без початкової молекули РНК… Як одне із рішень проблеми, була розроблена гіпотеза світу РНК – життя на Землі розпочалось не на основі білків, а на базі РНК.

Центральна доґма молекулярної біології постулює напрям передачі інформації з ДНК на РНК і на білок. Саме з цією доґмою і пов'язана проблема виникнення білкового життя на Землі... Джерело ілюстрації: http://exploringorigins.org

Проте, гіпотеза світу РНК, вирішивши одні проблеми, поставила цілу низку нових, з поміж яких найбільш вагомими є добіотичний синтез нуклеотидів – компонентів РНК. Кожен нуклеотид складається із трьох компонентів: азотистої основи (аденіну, гуаніну, цитозину або урацилу), цукру рибози та залишку фосфорної кислоти. Проблема полягає в тому, що кожен із цих компонентів синтезується в небіологічних умовах, які виключають синтез інших компонентів, або ж виключають хімічну взаємодію між ними. Навіть при успішному утворенні нуклеотидів і ланцюгів РНК, останні є нестабільними і легко руйнуються навіть водою… Вирішення проблеми прийшло несподівано з відкриттям т.з. ПНК (пептидних нуклеїнових кислот) у синьо-зелених водоростей. Припускається, що первісні РНК синтезувались в уже живих істотах, які існували на основі ПНК. Виявилось, що основний компонент ПНК – N-(2-аміноетил) гліцин є широко розповсюдженою речовиною у космічному просторі і дуже легко синтезується під дією космічних випромінювань, а окрім того з легкістю полімеризується у довгі ланцюги при нагріванні до 100°С. Однак, не усі вчені сприйняли “гіпотезу ПНК-попередників” живого і продовжують шукати шляхи абіотичного синтезу РНК та ДНК, власне, про що мова піде далі.

Роль вулканів у самозародженні життя стала альтернативою до пануючих нині "океанічної" та "суходільної" гіпотез. Джерело ілюстрації: http://www.relativelyinteresting.com

На сьогоднішній день існує ціла низка гіпотез, які намагаються описати процес абіоґенезу – виникнення живого із неживого. Основними вважаються дві: перша – це відома гіпотеза Опаріна-Галдана, яка стверджує, що життя зародилось в океанах, а друга – гіпотеза суходільного зародження життя у ґеотермальних джерелах. Проте, у 2011-му році була запропонована альтернативна гіпотеза, яка стверджує, що найімовірнішим місцем виникненням перших живих істот є пористий мінерал пемза (деталі тут). Цей мінерал утворюється у великій кількості підчас вивержень вулканів і має цілу низку унікальних властивостей, до яких, у першу чергу, належать: дуже висока пористість, плавання на поверхні води, здатність поглинати із довколишнього середовища різні речовини, та ін. Суть ідеї полягає в тому, що система пор дуже сильно збільшує площу внутрішньої поверхні мінералу, де утворюються окремі канали, відсіки, цистерни і таке інше. Загалом, це нагадує розподіл клітини на окремі сектори – компартменти, де відбуваються відмінні один від іншого процеси обміну речовин. Тобто, у різних порових канальцях одного шматка пемзи можуть відбуватись цілковито відмінні процеси синтезу різних речовин. А здатність мінералу плавати на поверхні води і поглинати з неї різні речовини, створює умови, коли верхня частина пемзи нагрівається сонцем і зазнає дії ультафіолету, а нижня – охолоджується водою і постійно поглинає орґанічні сполуки із неї. Таким чином, виникає ґрадієнт температур необхідний для протікання різних за природою хімічних реакцій, а капілярні явища і конвекція змушують розчини рухатись крізь мінерал, забезпечуючи змішування речовин, які утворюються за взаємовиключних умов, тим самим сприяючи їх взаємодії.

Пемза - пористи вулканічний мінерал, який міг бути колискою для виникнення перших живих істот... Джерело ілюстрації: http://www.essentialsyou.com

“Пемзинська гіпотеза” отримала свій розвиток у цілій низці експериментальних досліджень, які показали її переваги над іншими візіями зародження життя. Практично, усі дослідники вказують на ключову роль у процесах абіоґенезу температурного ґрадієнту. У зв’язку з цим, припускається, що виникнення протобіотичних систем відбулося не у шматках, які вільно плавали у океані, а натомість знаходилися на суходолі у сфері дії вулканів чи ґеотермальних джерел. Надважлива роль температурного ґрадієнту полягає у явищі темофорезу – розподілі різних за хімізмом і розмірами речовин відповідно до різниці температур у стовпі водного розчину. Лабораторні тестування ролі пористого матеріалу у абіоґенезі, які здійснювалися у скляних мікрокапілярах (деталі тут), показали, що під дією термофорезу відбувається накопичення ДНК у мікропорі. Більше того, за можливості надходження розчину із різними за довжиною молекулами ДНК, у порах відбувається їх добір – довші з них (завдовжки 80-100 нуклеотидів) накопичуються, а коротші – вимиваються назовні. У низці експериментів із реплікацією, – самовідтворенням (на основі полімеразної реакції), та деґрадацією молекул ДНК, спостерігається класичний дарвінівський добір на основі конкуренції за фермент. Довші ланцюги ДНК успішніше реплікуються, ніж коротші, а ймовірність їх виживання є значно вищою.

Температурний ґрадієнт, який часто виникає у природних умовах, аналогічно до внутрішнього клітинного середовища, порушує рівноважний стан середовища, знижуючи рівень ентропії – міри хаосу. Низька ентропія або ж висока впорядкованість процесів є найважливішою рисою живих систем, що забезпечує можливість активних процесів обміну речовин. Ці характеристики могли природно виникнути у пористих вулканічних породах, які піддавались стабільному нагріванню і забезпечували як синтез біополімерів, так і біохімічну еволюцію, і виникнення живих систем у кінцевому результаті.

Основні відкриття у царині виникнення життя ще попереду, а Станіславівський натураліст прискіпливо стежитиме за ними. Залишайтесь з нами!

Слідкуйте за публікаціями Станіславівського натураліста у соціальних мережах: Facebook, Google+, Вконтакті та Livejournal

admin Written by:

3 Comments

  1. Березень 13, 2015
    Reply

    Стосовно пептидних нуклеїнових кислот: я завжди думав що це – штучний витвір, тож їх наче синтезували, а не відкрили, хіба вони зустрічаються в природі?

    Явище “темофорезу”, я так розумію, що малося на увазі “термофорез” (дев’ятий рядок після фотографії пемзи

    Про пемзу і термофорез я чую в перше, дякую за розширення горизонтів! Але також цікаво було б почитати на вашому сайті про так звану гіпотезу “глиняного гену” Джона Бернала. За нею, першими “живими” істотами на доісторичній Землі були неорганічні полімерні наноплівки, які мали здатність відтворювати свою структуру. Ключовою характеристикою цих утворень стало те, що вони агрегували на своїй поверхні велику кількість різноманітних молекул. Тож, всі плівки мали однаковий кістяк, але різнилися за якісним складом поверхневих молекулярних конгломератів – це в свою чергу ставало приводом для природного добору і певні наноплівки отримували селективну перевагу під час відтворення. Далі в якийсь момент еволюція каталітичних процесів на поверхні наноплівок призвела до появи прото-фотосинтезу, і така нова функція – фіксації атмосферного карбону – стала потужним поштовхом до подальшого розвитку. Вже після цього наче з’явився РНК-світ, який поступово витіснив (або краще сказати – якісно трансформував) наноплівки в тому числі – перетворив їх на перші клітини. Звісно, може я багато чого наплутав, погугліть john bernal + clay + life, а також http://link.springer.com/article/10.1023%2FA%3A1006548904157

    Буде цікаво почитати вашу думку/бачення

  2. Квітень 10, 2015
    Reply

    Дуже цікаво, пане Sehrg. Але після книг Стівена Хокінґа, то геть дуже поверхневе трактування нашого всесвіту. Дуже дивно, що у статті немає жодної згадки про М-теорію струн.

Напишіть відгук

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *

− 2 = 1