Ako vznikol život? Nádejná cesta k odpovedi.  
Britskí vedci zaujímavými experimentmi podporili hypotézu, podľa ktorej na počiatku evolúcie pozemského života bola ribonukleová kyselina RNA.

 

Zvětšit obrázek
Vznik života podľa hypotézy RNA svet

Hypotéza „ RNA svet“
S evolučnou teóriou, s vedeckým vysvetlením vývoja pozemského života sa zrodila základná otázka: Ako pred asi 3,8 až 4 miliardami rokov život vznikol? V akej forme existovala jeho prvá, samostatne sa replikujúca forma?  Asi najuznávanejšou hypotézou ponúkajúcou odpoveď na túto neodbytnú, zásadnú otázku je hypotéza „RNA svet“ (RNA world hypothesis), ako ju v roku 1986 nazval nositeľ Nobelovej ceny Walter Gilbert. Samotná myšlienka, že v kolíske pozemského života by sme našli molekulu ribonukleovej kyseliny RNA sa však postupne začala formovať pred viac ako štyridsiatimi rokmi. Hypotéza „RNA svet“ predpokladá, že ribonukleová kyselina bola prvou formou živej hmoty a známejšia deoxyribonukleová kyselina (DNA), ktorej dlhšie dvojité reťazce sú stabilnejšie, sa podľa tejto hypotézy vytvorila z RNA neskôr. Molekula RNA obsahuje, podobne ako DNA, program pre svoje kopírovanie sa – genetický kód napísaný špecifickou postupnosťou štyroch pomerne jednoduchých organických dusíkatých látok (báz) naviazaných do reťazca pomocou cukru (nonosacharidu ribózy) a fosfátovej skupiny. RNA má však ešte jednu dôležitú vlastnosť – pri chemických reakciách pôsobí aj ako katalyzátor. V súčasnej bunke metabolické procesy katalyzujú najmä špeciálne bielkoviny - enzýmy.

 

Zvětšit obrázek
Adenín, quanín, cytozín, a uracil sú dusíkaté bázy RNA naviazané na vlákno tvorené molekulami cukru ribózy a fosfátovými radikálmi. Väzba báza – ribóza tvorí nukleozid. Ak je k nukleozidu naviazaný aj fosfátový radikál, ide o nukleotid. Briským vedcom sa podarilo syntetizovať nukleotidy s bázami cytozínu a uracilu (pirimidínmi).

Proti i za
Aj keď hypotéza „RNA sveta“, považujúca molekulu RNA za prvú živú chemickú zlúčeninu, ktorá spustila evolúciu pozemského života, je asi tou najuznávanejšou, čelí ostrej kritike. Niektorí vedci považujú molekulu RNA za príliš zložitú na to, aby spontánne vznikla v podmienkach mladej Zeme. Doposiaľ sa ju nepodarilo syntetizovať ani v kontrolovaných laboratórnych podmienkach. Tím chemikov z britskej Univerzity v Manchestri však v najnovšom čísle časopisu Nature uverejňuje prácu, ktorá je možno prvým úspešným krokom správnym smerom. Matthew Powner, Béatrice Gerlandová a John Sutherland z jednoduchých organických látok vytvorili dva typy ribonukleotidov, základných stavebných jednotiek RNA, za podmienok, ktoré pred asi 4 miliardami rokov na Zemi pravdepodobne panovali. Ich práca znamená pre hypotézu „sveta RNA“  výraznú podporu. Predstavuje realistické riešenie možného vzniku nukleovej kyseliny v prvotnej „prebiotickej polievke“.
"Sú to veľmi presvedčivé dôkazy pre teóriu sveta RNA. Nevieme, či tieto chemické postupy naozaj odrážajú to, čo sa skutočne stalo, ale pred našim výskumom existovali veľké pochybnosti, že sa to vôbec mohlo tak udiať," sú slová Donny Blackmondovej, chemičky na Imperial College v Londýne.

 

Zvětšit obrázek
„Chrbticu“ (backbone) RNA tvorí polymér z cukru ribózy a fosfátovej skupiny. Na toto vlákno sa viažu dusíkaté bázy. RNA (na rozdiel od DNA) je zväčša jednovláknová. Pri niektorých funkciách vytvára dvojvlákno, alebo slučky na svojom reťazci (tRNA), pričom sa pomocou vodíkových väzieb viaže cytozín s quanínom a adenín s uracilom. RNA môže vytvárať aj hybridné reťazce s DNA.

Svetlo laboratórneho sveta uzreli dva syntetické nukleotidy
Už asi 40 rokov sa vedci snažia pochopiť prebiotickú syntézu základných jednotiek molekuly RNA a doposiaľ vychádzali z predpokladu, že najskôr vznikli jej tri základné stavebné prvky – cukor ribóza, fosfát a 4 typy nukleotidov (2 pyrimidíny: cytozín a uracil a 2 puríny: guanín a adenín). RNA vznikla až následne ich vzájomným chemickým zlučovaním. V laboratóriách sa však tento proces nepodarilo zreprodukovať ani po nespočetných pokusoch a snaha zlúčiť ribózu s bázami končila frustrujúcim sklamaním. To hnalo vodu na mlyn skepticizmu a kritiky hypotézy sveta RNA. Sutherlandov tím však pozmenil predpoklady, použil chemické látky, ktoré mohli byť aj na počiatku života spoločnými chemickými predchodcami ako pre ribózu, tak aj pre pyrimidínové bázy. Základné podmienky experimentu zodpovedali geochemickému modelu mladej Zeme a ako vstupné chemické látky vedci použili kyanamid, kyanoacetylén, glykolaldehyd, glyceraldehyd a anorganický fosfát. Zistili, že jednoduchý uhľovodík, formaldehyd, v zásaditom roztoku vstupných uhľovodíkov umožňuje vznik celého radu cukrov, z ktorých sa vzápätí vytvára zmes nerozpustných látok odvodených od kyanidov a amoniaku. Ich vzájomnou reakciou sa tvoria nielen dusíkaté bázy, ale ďalšie organické zlúčeniny. Ak do zmesi reaktantov vedci v určitom kroku pridali fosfát, čiastočne ním vyrovnali pH roztoku a zároveň vyvolali reakcie, v ktorých pôsobil ako katalyzátor. Vďaka nemu, ako vedľajší produkt, vznikla napríklad dôležitá močovina. Ďalším kľúčovým medziproduktom bol 2-aminooxazol (C3H4N2O2), východisková látka pre vznik nukleozidov - zlúčenín báz s cukrom. Aminooxazol je pomerne prchavá chemikália, čo Sutherland využil na zodpovedanie otázky, ako si v prebiotickom prostredí mladej planéty zachovala dostatočnú chemickú čistotu, nevyhnutnú pre ďalšie reakcie. Mohol to spôsobiť cyklus jej sublimácie, podporenej počas dňa slnkom, a kondenzácie počas chladnejšej noci.

 

Zvětšit obrázek
Doposiaľ hypotéza „RNA svet“ predpokladala, že sa v prebiotickom prostredí mladej planéty vytvorili najskôr jednotlivé stavebné prvky RNA. Podľa nových experimentov však z kaskády reakcií organických molekúl mohli vzniknúť priamo nukleozidy a po fosforylácii v ďalšom kroku nukleotidy. Kredit: Nature

Ďalším faktorom je ultrafialové svetlo, ktoré cez primárnu atmosféru bez kyslíka prenikalo k povrchu Zeme oveľa intenzívnejšie než v súčasnosti. Vedci UV žiarenie využili veľmi efektívne. Počas experimentov rozkladalo niektoré nežiaduce vedľajšie produkty a zároveň pomáhalo vytvárať iné, nevyhnutné, ako napríklad ribouridín (väzba uracil a ribóza), jeden z pyrimídových nukleozidov. V predposlednom kroku zaujímavej kaskády chemických reakcií  prebiehala fosforylácia - naviazanie PO4 skupiny na nukleozidy cytidín a uridín (nukleozid – väzba ribóza a príslušná báza - v tomto prípade cytozín a uracil). Fosforyláciu podporila prítomnosť močoviny (NH2–CO–NH2), ktorá v predchádzajúcich reakciách vznikla z vedľajších produktov práve vďaka katalytickému pôsobeniu fosfátu. Ukážka, ako sa jednotlivé ingrediencie tejto laboratórnej prebiotickej polievky navzájom podporovali a ovplyvňovali priebehy reakcií. Vedci dôsledne skúmali  každú možnú chemickú cestu, ktorá by v prebiotickej ére mohla byť v pozemských podmienkach reálna. Neprehliadali ani vedľajšie produkty vznikajúce pri reakciách a ich chemické vplyvy.

 

Zvětšit obrázek
Kredit: Constanze von Kitzing, 1997

 

Beh na dlhú, ale zaujímavú trať
 Aj po desaťročiach snahy o zrekonštruovanie vzniku života na Zemi doposiaľ hľadáme len tie najpravdepodobnejšie riešenia. Aj práca Sutherlandovho tímu, nech je akokoľvek zásadná a progresívna, je len štartovacím blokom pre ďalší výskum. Vedci z Univerzity v Manchestri dokázali pravdepodobným spôsobom vytvoriť zatiaľ len pyriminídové ribonukleotidy (s bázami cytozín a uracil) a naviazať ich do reťazca. Aby mohol ich scenár naozaj zodpovedať ranným fázam vývoja života, budú musieť v približne rovnakých podmienkach a podobným spôsobom vytvoriť aj purínové ribonukleotidy (s bázami guanín a adenín), aby mohli vytvoriť kompletný reťazec RNA. A mali by vedieť zodpovedať otázku, či sa v podmienkach mladej Zeme mohli aspoň lokálne vyskytnúť vstupné chemické látky – reaktanty – v dostatočnej koncentrácii a v dostatočne čistej forme.
Sutherland: "Mojim konečným cieľom je získať živý RNA systém v priebehu experimentu uskutočnenom v „jednom hrnci“. Môžeme to rozbehnúť, len musíme vedieť aké obmedzenia mali podmienky na začiatku.“

 

_____________________________________________________________________

Odporúčame:
Krátke videá z YouTube o základných mechanizmoch prepisu genetického kódu z DNA do RNA a tvorby výsledných bielkovín :




A ďalšie:

2 ; 3 ; 4 ; 5

Zdroje: Nature 1 , 2Nature News

Datum: 17.05.2009 09:07
Tisk článku

Silver Bay - Moyes Jojo, Moyesová Jojo
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 289 Kč
cena: 257 Kč
Silver Bay
Moyes Jojo, Moyesová Jojo
Související články:

Možné cesty k nízkoemisní energetice     Autor: Vladimír Wagner (10.12.2017)
Ultrajasný kvasar ukrývá supertajemnou černou díru z mladého vesmíru     Autor: Stanislav Mihulka (07.12.2017)
Simulátor optických efektů extrémní gravitace přináší černou díru na Zemi     Autor: Stanislav Mihulka (18.10.2017)
Současný stav a budoucnost jaderné energetiky     Autor: Vladimír Wagner (03.09.2017)
Větrné elektrárny včera, dnes a zítra     Autor: Vladimír Wagner (01.09.2017)



Diskuze:

centrální dogma

Zdeněk Zadražil,2009-05-30 19:43:31

No nemůžete si představovat že to proběhlo takto skokově. Máte li 2 buńky které se dělí a žádný enzymaticky aparát pro její doplňování. takovéto buňky rychle zaniknou. Takže vznik membrány je možné si představit jako vznik tohoto enzymatického aparátu,který vznikal postupně. A tímto způsobem je membrána zapsána do DNA. Rozhodně to ale nejde obráceně, jak byste chtěl zapsat podobu membrány zpět do DNA? takže buňka vzniklá takto by se rozhodně nezreplikovala s membránou a tudíž by o ni přišla. A proto teda říkam, že přirovnání k domu není vhodné. Možná když si přečtete nečo o buňěčné biologii či evoluci, dáte mi za pravdu. Ale co víme, možná to bylo celé jinak:)

Odpovědět

RNA teoria je v mode uz nie na dlho

Juro Juraj,2009-05-29 19:00:36

Myslim si, ze tento vyskum je zabjanie casu. Vedci popisali ako mozu vznikat urcite zlozky RNA z jednoduchych organickych zlucenin. Organicki chemici mi potvrdia, ze z danych systemov vznika velky gulas vsetkeho mozneho. Okrem toho, dostupnost pomerne reaktivnych latok, spominanych v clanku, ako realne reaktanty mladej zeme, v globalne dostatocnom mnozstve je otazna. Uz len anorganicky fosfat aby bol aktivny, by musel byt vo vode rozpustnej forme. Potvrdilo sa, ze i takato jednoducha latka nemala sancu na "prezitie". Miller napisal o tom clanok, kde zhodnotil ci rozpustne a energeticky bohate fosfaty mohli byt pri procesoch vzniku biopolymerov. Ak by lokalne rozpustne fosfaty vznikali (napr. vulkanicka cinnost), doslo by k rychlemu vyzrazanie fosfatov v podobe nerozpustnych soli, a to uz pri nizsich koncentraciach horcika a vapnika ako je bezne vo vode. RNA teoria ma svoju velmi silnu lobby od cias nie vela rokov ako sa objavili nukleove kyseliny. Vtedy NK boli obrovsky hit a necudo ze nadsenie preslo aj do teorie chemickej evolucie. Uz ale racionalni vedci si zacinaju uvedomovat ze nukleove kyseliny su prilis komplikovane a presne zlozene z presne urcenych zloziek. V podstate kopolymery typu ...ABCABC...., v ktorych zlozky A, B su presne urcene a zlozky C, bazy, su menene len velmi obmedzene. Na vznik niecoho takeho uz treba velmi sofistikovanu biochemiu za asistencie enzymov. NK su velmi nestabilne. "Neprezili" by podmienky, ktore pouzili vedci na pripravu ich prekurzorov. Chybou je ze zastancovia teorie RNA sa na chemicku evoluciu dnes pozeraju sposobom, ako keby ste chceli pochopit evoluciu slona studiom bakterii. Pravdepodobne v chemickej evolucii klucovu ulohu zohrali proteiny, alebo aj zlozitejsie systemy. Su to pomerne stabilne zluceniny, polymery z variabilnych a jednoduchych zloziek, aminokyselin. I v dnesnych zivych bunkach zastavaju najroznejsie funkcie. Netreba to tu rozpisovat. Mozno na zaciatku zivota boli este zlozitejsie polymery, zlozitejsie z hladiska zlozenia a variability, napriklad polyamidy-estery. Z nich sa casom vyselektovali proteiny ako polyamidy alfa aminokyselin.
Nukleove kyseliny su v podstate genetickym zakladom zivota. Geneticky zaklad sa vytvoril asi az po vzniku formy zivota tak zlozitej, ze geneticka pamat bola vyhodou. Napriklad na zapamatanie si niektorych progresivnych ciest metabolizmu. Vznik RNA bol zrejme presadeny evolucnym tlakom. Ale evoluciou inou ako ju pozname v genetickej ere zivota. Ked Sumery zostrojili prvy voz nepotrebovali technicky vykres, kvoli jednoduchosti "stroja". Zlozitejsie stroje su narocnejsie na presnost a vyzaduju si presne zlozenie presny postup skladania a presnost vsetkych casti. Tu mozno hladat paralelu s vyznamom genetickej formy zivota.

Odpovědět

jak by se přenesly dále

Zdeněk Zadražil,2009-05-19 17:07:58

Je to zajímavé, ale jak by se membrány v komplexu s prvotní RNA mohly dále replikovat? respektive jak by se mohlo zpetně do RNA nějak zapsat struktura a výroba membrány... pokud by nějak vznikla membrána a do ní se nějakým způsobem inkorporovala RNA, jak by se tento "organismus" dále vyvíjel? Pravděpodobněji zní, že membrany se vyvinuly až mnohem později a to díky postupným mutacím v RNA. A přirovnávat RNA s membránou k domu je trochu zcestné, hlavně proto, že dům je postaven na základě plánu, evoluce takto ovšem v žádném případě nefunguje, bere "to co je" v dané chvíli k dispozici. Takže tato teorie nesplňuje předpoklady biologické evoluce. A na základě tohoto byla Oparinova teorie zavrhnuta, ne na základě jeho národnosti.

Odpovědět


časová postupnosť

Martin Smatana,2009-05-23 18:44:15

Viete o nejakom "mechanizme", pomocou ktorého by sa holá RNA alebo DNA dokázala obaliť nejakou membránou alebo niečím, čo by sa dalo označiť ako predchodca cytoplazmy? Ako sa podľa Vás membrána môže vyvinúť mutáciou RNA?
To moje prirovnanie vzniku bunky k stavbe domu nemá nič spoločné s plánom, ale s logickou časovou postupnosťou, s akou sa do jeho konštrukcie dostávajú jednotlivé časti.

Odpovědět

membrány

Martin Smatana,2009-05-17 14:30:16

Ja osobne sa prikláňam k názoru že na úplnom počiatku museli byť membrány alebo Oparinove koacerváty, a to z jednoduchého dôvodu - každý organizmus (ak vylúčime vírusy a prióny) má na svojom povrchu membránu. Viete si predstaviť, či by to mohlo fungovať tak, že vznikne nejaká samoreplikujúca molekula RNA a tá sa následne obalí fosfolipidovou membránou? To asi ťažko, ale naopak by to mohlo fungovať - vo vnútri kvapky s polopriepustným membránovým povrchom môže vzniknúť vyššia koncentrácia "stavebných kameňov života". Aj keď staviate dom, nezačnete ho stavať od potrubí a káblov, ktoré následne obalíte tehlami, kvádrami, panelmi a omietkou, ale naopak - začnete murovanými základmi, ktoré v tomto prípade predstavujú analógiu membrány, a až potom do toho domu dorobíte inžinierske siete.
Občas mám (iracionálny) pocit, že Oparinovu koacervátovú teóriu odsúvajú západní vedci do úzadia len preto, lebo to bol Rus.
Prečítajte si knihu Lynn Margulisovej "Symbiotická planéta", aj ona sa prikláňa k názoru, že na počiatku života boli membrány.

Odpovědět


su živé?

Dagmar Gregorova,2009-05-17 22:11:58

Viem, že knižka Symbiotická planéta je už nejaký ten (tretí?) rok na pultoch... žial, zatiaľ k nej nepribaľujú aj čas :).
Ale DÍK za odporúčanie.

Čo sa membrán týka - nuž, aj keby na počiatku existovali jednoduché fosfolipidové, membránam podobné štruktúry, vznikajúce abiotickou cestou... môžeme ich označiť za "živé"? Viem, toto je zložitá otázka: Čo vlastne život je? Môžu sa membrány replikovať? To, že sa fosfolipidy vo vodnom prostredí spontánne môžu na základe svojich fyzikálnych a chem. vlastností zgrupovať, to ešte nie je replikácia schopná vývoja.
http://www.osel.cz/index.php?clanek=3673
Ak vznikli najskôr membrány, potom RNA, či DNA vznikla až vo vnútri vezikúl (dutiniek v protomembráne)? Nie je to príliš limitované prostredie? Málo o tom viem, môžem sa len pýtať...

Ťažko to rozriešime my, ale možno by som súhlasila, že nejaké fosfolipidové štruktúry na počiatku existovali. Problém je, či ich nazývať prvou formou života.

Odpovědět


zasa membrány

Martin Smatana,2009-05-23 18:56:48

Ja netvrdím, že membrány sú živé, ale len to, že predstavujú najlogickejšiu a najschodnejšiu cestu, ako sa mohla vytvoriť živá bunka, ktorej základný tvar - membrána obaľujúca cytoplazmu s nukleovou kyselinou (bez jadra aj v jadre) a organelami - pretrváva už takmer 4 miliardy rokov bez zmeny. Možno sa výskumníci až príliš zameriavajú na DNA a RNA a na proteíny.

Prostredie vo vezikule je možno priestorovo obmedzené, ale ak je membrána polpriepustná, tak umožňuje dosiahnuť koncentrovanejší obsah.

Knihu "Symbiotická planéta" som si objednal cez martinus.sk a je to zaujímavé, čiastočne autobiografické čítanie.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace