Mari kita bicara tentang asal usul kehidupan di Bumi dan evolusi kimia. Tidak ada rumus kimia.
Bab satu, di mana kita menikmati chauvinisme
Rumusan Engels "kehidupan adalah cara keberadaan tubuh protein" mengalami ketidakakuratan: hari ini orang dapat mengatakan bahwa kehidupan adalah cara keberadaan senyawa karbon dalam air. Setidaknya ketika datang ke kehidupan biologis dalam bentuk yang kita pahami. Pandangan ini kadang-kadang disebut sebagai "chauvinisme air-karbon". Para ilmuwan mengembangkan teori membangun organisme dalam kimia yang sama sekali berbeda, menggunakan senyawa silikon atau bahkan boron, dan dalam pelarut universal lainnya - misalnya, amonia cair atau metana. Tetapi ketika sampai pada penelitian ilmiah yang serius, para ilmuwan masih fokus pada planet yang kaya karbon dan air.
Intinya di sini adalah sifat unsur-unsur kimia yang mengisi alam semesta kita. Mari kita ingat bahwa "primer", yang muncul segera setelah Big Bang, hanyalah hidrogen. Semua elemen lain terbentuk selama reaksi termonuklir di bagian dalam bintang, dan terutama yang berat memerlukan kondisi untuk kelahiran yang hanya muncul dalam ledakan supernova dan dibawa melalui ruang oleh gelombang kejutnya. Secara umum, kita dapat mengatakan bahwa semakin berat elemen, semakin jarang ditemukan, meskipun beberapa di antaranya, yang berfungsi sebagai titik akhir transformasi inti yang lebih berat (misalnya, timbal atau besi), tersingkir dari ini. aturan. Ada juga banyak elemen di ruang angkasa dengan inti yang sangat stabil, sehingga helium, karbon, dan oksigen mengikuti hidrogen dalam jumlah yang melimpah. Kombinasi oksigen dengan hidrogen di mana-mana menghasilkan air, yang juga ditemukan di mana-mana.
Tetapi boron tidak terlalu stabil. Bahkan di kedalaman bintang, sebagian besar darinya berubah menjadi karbon (dan helium), sehingga di Semesta terjadi banyak urutan besarnya lebih jarang daripada karbon atau oksigen. Ini, karenanya, mengurangi kemungkinan munculnya kehidupan "babi". Silikon di luar angkasa sudah cukup, tetapi kimia sudah menentangnya: dengan adanya oksigen, ia membentuk silikat yang tidak larut, lembam, dan sangat stabil. Mereka mampu melipat kerak planet kita, tetapi tidak mungkin cocok untuk kehidupan aktif. Mereka dapat dilarutkan oleh hidrogen fluorida, di mana silikat menunjukkan kemampuan kimia yang agak kompleks, tetapi fluor ditemukan puluhan ribu kali lebih jarang daripada oksigen. Jadi, jika Anda membuat taruhan serius, Anda dapat dengan yakin mengatakan: hidup adalah karbon dan air. Tapi kemudian masalah dimulai.
Bab dua, di mana kita menemui kesulitan pertama
Ada banyak karbon dan air di luasnya alam semesta. Air bertemu di planet-planet yang jauh dan menumpuk balok-balok es komet yang besar. Hidrokarbon paling sederhana - metana - adalah bagian dari atmosfer bersama dengan karbon dioksida, serta sumber utama elemen penting lainnya untuk kehidupan - hidrogen sulfida, fosfat, dan amonia (nitrogen). Kembali pada tahun 1920-an, Alexander Oparin dan John Haldane mengembangkan gagasan tentang bagaimana "sup primordial" di Bumi muda dapat menjadi sumber senyawa kunci kehidupan. Tiga puluh tahun kemudian, Stanley Miller mereproduksi konsep yang mereka usulkan di laboratorium, dengan mensimulasikan atmosfer hipotetis Bumi muda (bebas oksigen, kaya akan amonia, metana, karbon dioksida, dan hidrogen sulfida) di atas lautan air hangat, melalui a sepasang elektroda menerapkan pelepasan petir di dalam.
Beberapa hari kemudian, gula paling sederhana, asam organik, dan asam amino mulai muncul di dalam air. Sedikit mengubah kondisi operasi instalasi, generasi eksperimen berikutnya dapat memperoleh blok bangunan penting lainnya untuk kehidupan - misalnya, penambahan asam hidrosianat (HCN), juga tersebar luas di luar angkasa, membuka jalan bagi sintesis basa purin asam nukleat (DNA dan RNA), adenin dan guanin. Ini mengesankan, tetapi tidak cukup. Untuk memulainya, reaksi kimia semacam itu membentuk campuran isomer optik dari asam amino dan gula.
Koneksi ini bisa ada dalam dua bentuk - sama, seperti bayangan cermin satu sama lain, seperti tangan kanan dan kiri. Secara kimiawi, mereka setara, dan dalam eksperimen Miller dan para pengikutnya, pada kenyataannya, muncul dalam jumlah yang kira-kira sama. Dalam organisme hidup di Bumi, ini tidak terjadi: protein dalam diri kita semua, dari E. coli hingga perdana menteri (dengan pengecualian eksotis beberapa asam amino di beberapa archaea), dibangun hanya dari satu bentuk, L-amino asam; dan RNA dan DNA - hanya menggunakan D-ribosa dan D-deoksiribosa. Enzim protein beroperasi tidak dengan kimia, tetapi dengan bentuk spasial molekul, oleh karena itu bentuk kanan dan kiri untuk mereka adalah hal yang sama sekali berbeda, dan begitu dimulai dengan salah satunya, tidak mungkin lagi untuk beralih ke yang lain. Tetapi bagaimana "chauvinisme optik" ini dimulai? Mustahil untuk membayangkan bahwa beberapa protein aktif akan mengambil dan membentuk dari 500 atau 1000 L-asam amino jika campurannya mengandung jumlah L dan D yang sama. Kita belum kembali ke masalah ini, tetapi ternyata jauh dari itu. satu satunya.
Bab Tiga, Di Mana Kesulitan Meningkat
Masalah lain muncul ketika pengetahuan kita tentang Venus, Mars, dan masa lalu planet kita sendiri meningkat. Ternyata atmosfer tetangga saat ini memiliki komposisi yang mirip dengan atmosfer Bumi muda, yang, tampaknya, hampir seluruhnya terdiri dari karbon dioksida. Tidak ada jumlah amonia yang signifikan di dalamnya, nitrogen hanya ada dalam bentuk gas molekul murni (N2), dan belerang sebagai oksida inert (SO2). Himpunan ini sangat jauh dari apa yang dibayangkan Oparin, Haldane dan Miller, dan di atas segalanya karena tidak mengandung zat yang cocok untuk peran zat pereduksi (seperti amonia, misalnya), yang diperlukan untuk memperbaiki karbon dioksida dan memperoleh pada setidaknya bahan organik paling sederhana darinya. …
Dan, akhirnya, hal utama adalah masalah, yang dalam filsafat disebut "kompleksitas yang tidak dapat direduksi". Dia menemani setiap perselisihan tentang kemunculan dan perkembangan kehidupan. Ambil penerbangan burung: bulu dan sayap, tulang berlubang dan gigi yang hilang. Tanpa masing-masing detail ini (dan banyak lainnya), penerbangan tidak mungkin dilakukan, tetapi dapatkah mereka muncul secara bersamaan dalam makhluk yang tidak dapat terbang? Tentu saja tidak. Hari ini, ditunjukkan bahwa bulu berfungsi sebagai alat isolasi termal bahkan untuk nenek moyang mereka - kadal, sayap memungkinkan untuk meluncur dari cabang, dengan cekatan melarikan diri dari pemangsa yang memanjat, dan sebagainya. Jika Anda berurusan dengan detail struktur bahkan sel hidup yang paling sederhana, maka mereka akan menjadi jauh lebih rumit daripada kisah penerbangan.
Bahkan pada bakteri, genom mengandung jutaan nukleotida, yang mengkode ribuan protein. Pekerjaannya membutuhkan mesin kompleks yang diperlukan untuk menyalin DNA dan membacanya untuk mengubahnya menjadi RNA, dan kemudian menjadi protein menggunakan ribosom yang disusun dengan cerdik, dll. Semua ini dikelilingi oleh membran yang diresapi dengan protein yang bekerja terus-menerus yang menyediakan transportasi selektif zat ke dalam sel dan keluar dari itu. Ada beberapa detail yang berlebihan: tanpa masing-masing dari mereka, sel tidak dapat hidup. Dan yang paling penting, dia tidak bisa hidup tanpa instruksi, yang mengandung DNA dan yang diimplementasikan oleh protein. Dengan sendirinya, DNA tidak mampu mengkatalisis reaksi kimia atau menggandakan dirinya sendiri. Ini adalah zat yang agak lembam, hanya berfungsi sebagai pembawa informasi yang nyaman. Di sisi lain, protein tidak bereproduksi dan tidak dapat memainkan peran ini. Masalah filosofis lainnya - ayam dan telur - tampaknya hanya benar-benar tidak terpecahkan?..
Bab Empat, Di Mana Harapan untuk RNA Muncul
Dilema telur ayam - yaitu, dengan DNA dan protein - tidak terpecahkan sampai tahun 1970-an, ketika ribozim, molekul RNA dengan aktivitas katalitiknya sendiri, ditemukan. RNA tidak sebaik dalam menyimpan dan menyalin informasi seperti DNA, dan tidak sehebat protein dalam katalisis, tetapi dapat melakukan keduanya. Hal ini menyebabkan munculnya hipotesis tentang "dunia RNA", sup utama, di mana pemilihan molekul yang paling efektif dan meningkatnya kompleksitas yang mengarah pada penggunaan DNA dan protein, meninggalkan RNA mereka yang modern, sebagian besar menengahi., fungsi dapat dimulai. Ini berarti bahwa masalah "kimia primer" dapat direduksi menjadi masalah penampilan jumlah RNA yang cukup dari komponennya - gula D-ribosa yang mengandung lima atom karbon, fosfat, serta empat jenis basa nitrogen - adenin, guanin, urasil, dan sitosin.
Cara yang paling mungkin untuk munculnya ribosa hari ini adalah reaksi formosa Butlerov - memanaskan larutan formaldehida berair. Dengan adanya kalsium hidroksida dan di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, ia membentuk campuran kompleks gula yang berbeda, yang dapat disimpan pada permukaan anorganik yang berbeda. Misalnya, silikat mengakumulasi (dan melepaskan dari lingkungan) tambahan gula berkarbon empat dan enam, dan hidroksiapatit - ribosa yang sangat kita butuhkan. Selain itu, jika seng dan asam amino prolin hadir dalam medium, mereka mengkatalisis penampilan produk yang hampir murni, gula "benar".
Para ahli kimia berhasil memecahkan masalah dengan munculnya keempat basa nitrogen. Jika Anda tidak menggunakan asam hidrosianat, tetapi senyawa lain yang cukup umum di ruang angkasa dan tidak rumit - formamida - maka dengan tidak adanya air di bawah pengaruh radiasi ultraviolet dan pada permukaan partikel titanium oksida, itu akan memberikan semua basa yang diperlukan. Dan jika dalam hidup kita kondisi seperti itu terlihat eksotis, maka di luar angkasa mereka tidak begitu langka; Titanium dioksida sekarang dan kemudian ditangkap di atmosfer atas, di mana tidak ada air, tetapi ada banyak radiasi ultraviolet.
Agar basa nitrogen, fosfat dan ribosa untuk membentuk RNA, mereka harus bergabung menjadi nukleotida, dan mereka, pada gilirannya, menjadi rantai yang cukup panjang. Adenin relatif mudah menempel ribosa, dan kemudian tiga gugus fosfat satu demi satu. Rupanya, untuk alasan ini, adenosin trifosfat (ATP) telah menjadi molekul pembawa energi universal: sisa basa nitrogen tidak dapat diluncurkan di sepanjang jalur ini selama beberapa dekade. Masalah ini diselesaikan hanya pada tahun 2009, ketika John Sutherland dari Universitas Manchester menemukan reaksi yang elegan dan kompleks, yang inputnya tidak menggunakan basa dan ribosa sendiri, tetapi prekursornya - glikolaldehida, gliseraldehida, sianamida, dll. nukleotida yang diinginkan diperoleh pada output. Dalam beberapa tahun, ditunjukkan bahwa dengan adanya asam L-amino, reaksi seperti itu sebagian besar menghasilkan senyawa dengan D-ribosa.
Bab lima, di mana RNA bertemu dengan "dunia seng"
Reaksi seperti itu harus terjadi di Bumi muda secara terus-menerus: tidak mungkin sumber zat yang tidak stabil seperti asteroid atau komet dapat membawa mereka dalam jumlah yang cukup, terus-menerus memperbarui persediaan. Ini membutuhkan pengurangan karbon dioksida menjadi senyawa karbon paling sederhana, seperti yang dilakukan tanaman menggunakan air dan sinar matahari. Metode lain ditunjukkan oleh mikroba metanogenik, yang umumnya tidak mentolerir keberadaan oksigen dan menggunakan zat pereduksi - hidrogen sulfida, yang berasal dari kerak bumi dengan mineral yang kaya dan larutan berair panas.
Dari sini lahir hipotesis pertama tentang asal usul molekul prekursor RNA, termasuk formaldehida, glikolaldehida, sianamida, dan senyawa akrab lainnya. Menurut ide Karl Washterhauser, segala sesuatu terjadi di dasar laut, dalam kondisi yang dekat dengan ventilasi hidrotermal modern. Mereka masih dihuni oleh kehidupan dunia luar yang sangat kaya, sangat tidak biasa dan praktis independen, yang memakan "asap" perokok hitam ini - air super panas yang kaya akan hidrogen sulfida dan sulfida, dan seng dan mangan sulfida segera diendapkan oleh lapisan keputihan. Seperti yang akan kita lihat sebentar lagi, ini sangat penting.
Eksperimen telah menunjukkan bahwa di bawah kondisi ini hidrogen sulfida mereduksi besi sulfida menjadi pirit (FeS2), pada permukaan yang menahan proton yang mampu mereduksi nitrogen menjadi amonia dan karbon dioksida menjadi metil merkaptan. Reaksi yang lebih kompleks juga diwujudkan di sini, yang mengarah pada munculnya asam organik dan, secara umum, seluruh spektrum bahan organik, lebih kaya daripada reaksi Miller.
Transformasi lebih lanjut sudah bisa terjadi dalam terang, ketika "perokok hitam" diekspos. Atmosfer bumi muda yang sangat padat menciptakan peningkatan tekanan, yang memungkinkan air tidak mendidih atau menguap bahkan pada suhu yang jauh lebih tinggi dari 100 ° C, dan molekul bermuatan negatif - asam organik, termasuk RNA - tetap terikat pada permukaan seng yang bermuatan positif. sulfida, terakumulasi dalam jumlah yang cukup dan terus bereaksi satu sama lain.
Konfirmasi penting dari hipotesis "dunia seng" (sebagai kelanjutan dari "dunia RNA") adalah komposisi lingkungan internal sel hidup, sitoplasmanya, yang tidak hanya dekat dengan air laut, tetapi juga dengan air laut yang hampir hitam. perokok, jenuh dengan ion kalium, mangan, magnesium, dan seng. Selain itu, telah ditunjukkan bahwa ribozim membutuhkan keberadaan logam yang sama untuk berfungsi. Mereka juga ditemukan di sebagian besar protein kuno dan mengandung seng dan mangan: pada tahun 2008, ditunjukkan bahwa dari 49 domain katalitik yang terkandung dalam semua organisme yang dikenal pada waktu itu, 37 mengandung seng dan 19 - mangan.
Bab enam, di mana ribosom terbentuk
Jadi, di halaman - era Archean. Mata air panas bumi - "perokok hitam" - menumpuk endapan seng, mangan, dan sulfida logam lainnya, yang dibawa ke permukaan dan membawa bahan organik terkait. Di sini, di udara padat dan panas, yang sebagian besar terdiri dari karbon dioksida, sintesis abiogenik berlanjut di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, yang menembus atmosfer, yang masih tanpa oksigen dan lapisan ozon. Rantai RNA, ribozim terbentuk, dan beberapa di antaranya dapat mengkatalisis reaksi tertentu, dan yang dipilih - pembentukan salinannya sendiri. Dalam kondisi seperti itu, mereka dapat dengan cepat berkembang biak dan secara bertahap menekan pesaing, mencegat "blok bangunan" mereka. Tapi apakah ini hidup?
Memang, meskipun Engels tidak sepenuhnya benar, kita masih harus beralih ke protein, yang tanpanya tidak ada satu pun bentuk kehidupan nyata yang kita ketahui ada. Saat ini, sintesis protein dari asam amino individu disediakan oleh kompleks molekul kompleks, ribosom, dan sekitar 40 RNA transpor. Masing-masing dari mereka memberikan asam amino spesifik dan menempel pada urutan spesifik dari tiga nukleotida pada RNA messenger. Reaksi asam amino yang bergabung ke dalam rantai protein dilakukan oleh ribosom, yang mencakup beberapa lusin protein dan tiga molekul RNA.
Hari ini diketahui bahwa RNA ribosom yang melakukan fungsi utama organel ini, dan RNA itu sendiri mengandung domain dan fragmen yang kurang lebih penting untuk operasinya. Dalam karya-karya para ilmuwan, di antaranya seseorang tidak dapat tidak menyebutkan mantan rekan senegaranya, yang bekerja di Universitas Montreal, Sergei Steinberg, ditunjukkan bahwa RNA ribosom dapat "tumbuh" dengan menambahkan fragmen baru ke dirinya sendiri, tetapi beberapa di antaranya harus menjadi kunci - dan yang paling kuno.
Ribozim semacam itu mampu mensintesis rantai protein dari asam amino individu - dengan canggung, tidak akurat, tidak terlalu cepat, terutama dibandingkan dengan sistem biokimia kompleks modern yang telah diasah oleh miliaran tahun evolusi.- tapi masih mampu. Itu bisa seperti domain V RNA ribosom dan bahkan tidak menggunakan template, mensintesis rantai peptida acak. Baru kemudian dia belajar mengikat messenger dan mengangkut RNA. Tapi bagaimana ini bisa membantu ribozim itu sendiri bertahan dan menyingkirkan pesaing - bahkan mereka yang mengkatalisasi kemunculan salinan mereka sendiri?
Bab Tujuh, Tentang Kode Genetik
Di sini kita harus ingat bahwa RNA bukanlah pembawa informasi yang sukses seperti DNA - dan terutama karena labilitas kimianya yang agak tinggi. Bagian yang sakit adalah gugus hidroksil (2) ribosa yang sama, yang tidak dimiliki DNA deoksiribosa. Diasumsikan bahwa beberapa protein dapat mengikat RNA, menutup - dan melindungi - situs berbahaya. Heliks alfa, struktur yang sangat umum untuk protein, sangat bagus untuk ini. Tetap bahwa di antara RNA pembawa pesan yang mengkode protein pelindung, ada yang lain yang mengkodekan protein yang membelah RNA lain dan memasok nukleotida baru, dan yang lain lagi, untuk menyalin RNA itu sendiri - ini hampir di topi kita.
Reproduksi, variabilitas, dan seleksi dimulai - perlombaan senjata yang disebut evolusi. Dalam sistem ini, pengkodean genetik disediakan oleh molekul RNA transpor yang mengikat triplet nukleotida (kodon) yang berdekatan dengan satu atau lain asam amino. Dipercayai bahwa hubungan ini muncul kurang lebih secara kebetulan dan, misalnya, triple adenine - uracil - uracil sesuai dengan isoleusin asam amino.
Di sisi lain, pola tertentu dalam kode ini dapat ditemukan: misalnya, isoleusin juga dikodekan oleh kodon adenin - urasil - sitosin dan adenin - urasil - adenin, yang secara struktural sangat mirip dan menyisakan ruang untuk kesalahan. Bahkan dengan pengikatan yang tidak terlalu tepat dari masing-masing nukleotida individu, kembar tiga yang dekat memberikan penampilan asam amino yang diinginkan dengan akurasi yang cukup. Kami telah memperoleh satu set minimal: RNA messenger protein untuk menyalin RNA, RNA proto-ribosom untuk mensintesis protein, dan RNA transportasi.
Bab Delapan Dimana Kehidupan Ditempatkan Dalam Sel Dan Menerima DNA
Benar, kita belum mencapai kehidupan: kita membutuhkan sel, dan sel dibuat oleh membran yang membatasinya dari dunia luar dan memastikan metabolisme yang terkontrol. Setelah terbatas pada membran, kehidupan terbentuk dan mampu menggabungkan dan mengakumulasi molekul RNA yang diperlukan di dalam dan memimpin sintesis protein, meninggalkan bidang endapan belerang dan pindah ke keberadaan tiga dimensi dalam bentuk gelembung dalam cairan., menyelesaikan dan menguasai ruang baru.
Selaput organisme modern disusun menurut prinsip umum: mereka adalah molekul yang agak panjang dengan "kepala" yang cenderung ke air dan "ekor" hidrofobik. Lapisan ganda mereka berorientasi dalam air dengan ekor mereka satu sama lain, dengan mudah membentuk gelembung. Perbandingan protein yang diperlukan untuk sintesis molekul seperti itu dalam kelompok organisme yang paling tidak mirip satu sama lain memungkinkan untuk menentukan mereka yang sedekat mungkin, yang berarti bahwa mereka memiliki nenek moyang terakhir yang sama.
Pekerjaan ini dilakukan di bawah bimbingan ahli biofisika Moskow Armen Mulkidzhanyan. Memang, di antara enzim semacam itu ditemukan yang diperlukan untuk sintesis alkohol terpen (cocok untuk "ekor" molekul membran), serta untuk menempelkan "kepala" fosfat polar ke dalamnya. Berkat ini, kami telah tiba di tahap kedua dari belakang. Kehidupan proto kita terdiri dari sel-sel yang dibatasi oleh membran, di dalamnya terdapat campuran banyak protein dan molekul RNA yang tersebar yang dengan mudah berpindah dari satu sel ke sel lain, mengkode protein tertentu untuk sintesis RNA dan lipid membran. Tampaknya DNA tidak berbau di sini. Tapi mari kita lihat lebih dekat: virus telah berlipat ganda dengan kekuatan dan utama di set ini.
Virus parasit intraseluler telah mengganggu kehidupan sejak era "dunia RNA". Hari ini mereka sangat beragam sehingga mereka berbeda satu sama lain lebih dari E. coli yang sama dari perdana menteri yang sama. Beberapa orang masih menggunakan RNA sebagai pembawa informasi, sementara yang lain telah lama beralih ke DNA - dan, tampaknya, adalah yang pertama melakukannya. Diasumsikan bahwa merekalah yang mengembangkan protein yang mampu menerima RNA pada cetakan DNA, dan bersama mereka kemampuan untuk menggunakan molekul stabil ini untuk menyimpan informasi. Seperti banyak barang berharga lainnya (juga tidak berguna dan berbahaya) dalam tubuh kita, DNA dipinjam oleh sel dari virus.
Bab sembilan, yang terakhir tapi bukan yang terakhir
Mulai saat ini kita dapat berbicara tentang evolusi biologis dalam arti yang sebenarnya. Ketika atmosfer mendingin dan menjadi kurang padat, protoorganisme dengan kekuatan dan utama menghadapi masalah penipisan cadangan deposit mineral lama. Beberapa dari mereka pergi ke daerah terpencil yang tidak dapat diakses, menjadi nenek moyang archaea modern, masih menghuni perokok hitam atau geyser.
Lainnya hidup lebih tinggi dan belajar untuk melindungi diri dari radiasi ultraviolet matahari dengan pigmen, dan kemudian dapat menggunakan pigmen ini untuk fotosintesis, menjadi benar-benar independen dari rumah leluhur panas bumi mereka. Mereka perlu mengembangkan sistem untuk mengangkut mineral ke dalam dan ke luar sel. Mereka bergabung dengan bakteri lain, yang menguasai sintesis efisien ATP dari glukosa dan kemudian menjadi mitokondria.
"Hibridisasi" lain mengarah pada pembentukan nukleus dan munculnya eukariota, tetapi ini akan terjadi di masa depan. Dengan pembentukan sel, mekanisme sintesis protein dan munculnya DNA, prasejarah kehidupan berakhir dan sejarahnya dimulai.