"Ir sniegtas atbildes uz vairākiem jautājumiem par dzīvības izcelsmi, taču vēl ir daudz kas jāizpēta," sacīja Stenlijs Millers un Harolds Urijs 1959. gadā pēc tam, kad ziņoja par aminoskābju sintēzi laboratoriski primitīvos zemes apstākļos. Daudzi sasniegumi šajā virzienā, taču zinātnieki jau sen cīnās ar fundamentālu jautājumu - kurš ģenētiskais materiāls vispirms izveidojās uz primitīvās zemes? DNS or RNS, vai mazliet no abiem? Tagad ir pierādījumi, kas to liecina DNS un RNS abas var būt līdzās pastāvējušas pirmatnējā zupā, no kurienes dzīvības formas var būt attīstījušās kopā ar attiecīgajiem ģenētiskajiem materiāliem.
Molekulārās bioloģijas centrālā dogma nosaka, ka DNS padara RNS padara proteīni. Olbaltumvielas ir atbildīgi par lielāko daļu, ja ne par visām reakcijām, kas notiek organismā. Visa organisma funkcionalitāte lielā mērā ir atkarīga no to klātbūtnes un mijiedarbības proteīns molekulas. Saskaņā ar centrālo dogmu, proteīni tiek radīti, izmantojot informāciju, kas ietverta DNS kas tiek pārveidots par funkcionālu proteīns caur kurjeru, ko sauc par RNS. Tomēr ir iespējams, ka proteīni paši var izdzīvot neatkarīgi bez jebkādām DNS or RNS, tāpat kā prionu gadījumā (nepareizi salocīts proteīns molekulas, kas nesatur DNS or RNS), bet var izdzīvot paši.
Tādējādi dzīvības izcelsmei var būt trīs scenāriji.
A) Ja proteīni vai arī tās celtniecības bloki varēja abiotiski veidoties atmosfērā, kas pastāvēja pirms miljardiem gadu pirmatnējā zupā, proteīni var saukt par pamatu dzīvības izcelsme. Eksperimentālie pierādījumi par labu nāk no slavenā Stenlija Millera eksperimenta1, 2, kas parādīja, ka, sajaucot metāna, amonjaka, ūdens un ūdeņraža maisījumu un cirkulējot garām elektriskajai izlādei, veidojas aminoskābju maisījums. Tas atkal tika apstiprināts septiņus gadus vēlāk3 1959. gadā Stenlijs Millers un Harolds Urijs, norādot, ka reducējošās atmosfēras klātbūtne pirmatnējā zemē izraisīja sintēzi bioloģisks savienojumus iepriekš minēto gāzu klātbūtnē, kā arī mazāku oglekļa monoksīda un oglekļa dioksīda daudzumu. Zinātniskā brālība vairākus gadus apšaubīja Millera-Urija eksperimentu atbilstību, uzskatot, ka viņu pētījumos izmantotais gāzu maisījums ir pārāk mazinošs salīdzinājumā ar apstākļiem, kas pastāvēja uz pirmatnējās Zemes. Vairākas teorijas norādīja uz neitrālu atmosfēru, kas satur CO2 pārpalikumu ar N2 un ūdens tvaiku4. Tomēr neitrāla atmosfēra ir arī identificēta kā ticama vide aminoskābju sintēzei5. Turklāt par proteīni lai tie darbotos kā dzīvības izcelsme, viņiem ir jāreplicējas paši, kas noved pie dažādu veidu kombinācijas proteīni lai apmierinātu dažādas reakcijas, kas notiek organismā.
B) Ja pirmatnējā zupa nodrošināja apstākļus celtniecības blokiem DNS un / vai RNS jāveido, tad kāds no tiem varēja būt ģenētiskais materiāls. Pētījums līdz šim bija labvēlīgs RNS būt par ģenētisko materiālu dzīvības formu izcelsmei, pateicoties to spējai salocīt pašas, pastāvot kā vienai virknei un darboties kā fermentam6, kas spēj radīt vairāk RNS molekulas. Vairāki pašreplicējoši RNS enzīmi7 gadu gaitā ir atklāti, kas liecina RNS būt par izejas ģenētisko materiālu. To vēl vairāk pastiprināja Džona Sazerlenda grupas veiktie pētījumi, kas noveda pie divu RNS bāzu veidošanās vidē, kas līdzīga pirmatnējai zupai, maisījumā iekļaujot fosfātu.8. RNS bloku veidošanās ir parādīta arī, simulējot reducējošu atmosfēru (satur amonjaku, oglekļa monoksīdu un ūdeni), kas ir līdzīga Millera-Urija eksperimentā izmantotajai, un pēc tam caur tām izlaižot elektriskās izlādes un lieljaudas lāzerus.9. Ja jāuzskata, ka RNS ir iniciators, tad kad un kā tas bija DNS un rodas proteīni? Vai DNS vēlāk attīstīties kā ģenētisks materiāls, jo tam sekoja RNS un proteīnu nestabilitāte. Atbildes uz visiem šiem jautājumiem joprojām ir neatbildētas.
C) Trešais scenārijs, ka DNS un RNS var līdzāspastāvēt pirmatnējā zupā, kas noveda pie dzīvības izcelšanās, izriet no pētījumiem, kas publicēti 3.rd 2020. gada jūnijā, Džona Sazerlenda grupa no MRC laboratorijas Kembridžā, Apvienotajā Karalistē. Pētnieki simulēja apstākļus, kas pastāvēja uz pirmatnējās Zemes pirms miljardiem gadu, ar sekliem dīķiem laboratorijā. Viņi vispirms izšķīdināja radušās ķīmiskās vielas RNS ūdenī, kam seko to žāvēšana un karsēšana un pēc tam pakļautība UV starojumam, kas imitēja pirmatnējā laikā pastāvošos saules starus. Tas ne tikai noveda pie divu elementu sintēzes RNS bet arī no DNS, kas liecina, ka abas nukleīnskābes pastāvēja līdzās dzīvības rašanās brīdī10.
Pamatojoties uz mūsdienu zināšanām, kas pastāv šodien un godinot molekulārās bioloģijas centrālo dogmu, šķiet ticams, ka DNS un RNS pastāvēja līdzās, kas noveda pie dzīvības un olbaltumvielu veidošanās radās/notika vēlāk.
Tomēr autors vēlas spekulēt ar citu scenāriju, kurā visas trīs svarīgās bioloģiskās makromolekulas, t. DNS, RNS un proteīns pastāvēja kopā pirmatnējā zupā. Netīrie apstākļi, kas pastāvēja pirmatnējā zupā, ietverot zemes virsmas ķīmisko raksturu, vulkānu izvirdumus un gāzu, piemēram, amonjaka, metāna, oglekļa monoksīda, oglekļa dioksīda un ūdens klātbūtni, varēja būt ideāli piemēroti visām makromolekulām, kas veidojas. Mājienu par to sniedza Ferus et al. veiktie pētījumi, kur nukleobāzes veidojās tajā pašā reducējošā atmosfērā.9 izmantoja Millera-Urija eksperimentā. Ja ticēt šai hipotēzei, tad evolūcijas gaitā dažādi organismi pārņēma vienu vai otru ģenētisko materiālu, kas veicināja to pastāvēšanu uz priekšu.
Tomēr, cenšoties izprast dzīvības formu izcelsmi, ir vajadzīgi daudzi turpmāki pētījumi, lai atbildētu uz fundamentālajiem un būtiskiem jautājumiem par dzīvības rašanos un izplatīšanos. Tam būtu nepieciešama “ārpus kastes” pieeja, nepaļaujoties uz aizspriedumiem, ko mūsu domāšanā ieviesušas pašreizējās zinātnē ievērotās dogmas.
***
Norādes:
1. Miller S., 1953. Aminoskābju ražošana iespējamos primitīvos zemes apstākļos. Zinātne. 15. gada 1953. maijs: sēj. 117, 3046. izdevums, 528.–529. lpp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup–Revisiting the Miller Experiment. Zinātne 02. gada 2003. maijs: sēj. 300, 5620. izdevums, 745.–746. lpp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL un Urey HC, 1959. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Zinātne, 31. gada 1959. jūlijs: sēj. 130, 3370. izdevums, 245.-251.lpp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kastings JF, Hovards MT. 2006. Atmosfēras sastāvs un klimats uz agrīnās Zemes. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Publicēts: 07. gada 2006. septembrī. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al, 2008. Prebiotiskās organiskās sintēzes pārvērtēšana neitrālās planētu atmosfērās. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Intervences secība RNS of Tetrahymena ir enzīms. Zinātne, 31. gada 1986. janvāris: sēj. 231, 4737. izdevums, 470.–475. lpp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al, 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. Zinātne 08. apr.: Vol. 332, 6026. izdevums, 209.–212. lpp. (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Aktivēto pirimidīna ribonukleotīdu sintēze prebiotiski ticamos apstākļos. Nature 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al, 2017. Formation of Nucleobase in a Millera-Urey reducējošā atmosfērā. PNAS, 25. gada 2017. aprīlis, 114 (17) 4306-4311; pirmo reizi publicēts 10. gada 2017. aprīlī. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 RNS pirimidīna selektīva prebiotiskā veidošanās un DNS purīna nukleozīdi. Nature 582, 60–66 (2020). Publicēšanas datums: 03. gada 2020. jūnijs. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
