Nierozwiązana tajemnica pochodzenia życia: nowa strategia

Pomimo wielu lat postępu pochodzenie życia pozostaje jedną z najtrwalszych zagadek nauki.

„Najważniejszą cechą biologii jest to, że żywe istoty składają się z komórek, przez które przekazuje się informację genetyczną DNA„Używają enzymów białkowych do napędzania swojego metabolizmu, a wszystko to pojawiło się w wyniku określonych procesów w bardzo wczesnej historii ewolucji” – mówi Aaron Goldman, adiunkt biologii w Oberlin College. „Zrozumienie, w jaki sposób powstały te podstawowe systemy biologiczne, nie tylko da nam wgląd w to, jak działa życie na podstawowym poziomie, ale przede wszystkim, czym właściwie jest życie i jak możemy go szukać poza Ziemią”.

Pytanie o to, jak powstało życie, jest zwykle badane za pomocą eksperymentów laboratoryjnych, które symulują środowiska wczesnej Ziemi i szukają chemii, która mogłaby stworzyć te same rodzaje biomolekuł i reakcji metabolicznych, które obserwujemy u żywych istot. Jest to znane jako podejście „oddolne”, ponieważ działa z materiałami, które w przeciwnym razie byłyby na Ziemi dla prebiotyków.

Podczas gdy te tak zwane eksperymenty z „chemią prebiotyczną” z powodzeniem pokazały, jak żyć może mieć Dorastając, nie mogą nam powiedzieć, jak naprawdę wygląda życie akt powstać. Tymczasem inne badania wykorzystują techniki biologii ewolucyjnej do rekonstrukcji tego, jak mogły wyglądać wczesne formy życia na podstawie danych z dzisiejszego życia. Jest to znane jako podejście „z góry na dół” i może nam powiedzieć o historii życia na Ziemi.

Jednak badania odgórne mogą jedynie spojrzeć wstecz, ponieważ w organizmach nadal zachowały się geny, a zatem nie aż do powstania życia. Pomimo swoich ograniczeń, badania odgórne i oddolne mają wspólny cel, jakim jest odkrycie pochodzenia życia, a najlepiej byłoby, gdyby ich odpowiedzi były zbieżne na wspólnym zestawie terminów.

Nowy artykuł opublikowany przez Goldmana, Lori Barge (badacz naukowy w dziedzinie astrobiologii w The NASAelektrownia odrzutowa (Laboratorium Napędów Odrzutowych)) i współpracownikami, aby wypełnić tę lukę metodologiczną. Autorzy argumentują, że połączenie oddolnych badań laboratoryjnych nad prawdopodobnymi ścieżkami prowadzącymi do powstania życia z ewolucyjnymi rekonstrukcjami wczesnych form życia z góry na dół może być wykorzystane do odkrycia, jak życie naprawdę powstało na wczesnej Ziemi.

W swoim artykule autorzy opisują fundamentalne dla dzisiejszego życia zjawisko, które można badać łącząc badania oddolne i odgórne: łańcuchy transportu elektronów.

Łańcuchy transportu elektronów to rodzaj systemu metabolicznego wykorzystywanego przez organizmy z całego drzewa życia, od bakterii po ludzi, do wytwarzania użytecznych form energii chemicznej. Wiele różnych typów łańcuchów transportu elektronów jest specyficznych dla każdej formy życia i stosowanego przez nie metabolizmu energetycznego: na przykład nasze mitochondria zawierają łańcuch transportu elektronów związany z heterotroficznym (pochłaniającym żywność) metabolizmem energetycznym; Podczas gdy rośliny mają dołączony do nich zupełnie inny łańcuch transportu elektronów Fotosynteza (Wytwarzanie energii ze światła słonecznego).

W całym świecie drobnoustrojów organizmy wykorzystują szeroką gamę łańcuchów transportu elektronów związanych z różnymi procesami metabolicznymi energii. Jednak pomimo tych różnic autorzy opisują dowody z badań odgórnych, że ten typ strategii metabolicznej był stosowany przez bardzo wczesne formy życia i przedstawiają kilka modeli łańcuchów transportu elektronów przodków, które można prześledzić wstecz do bardzo wczesnej historii ewolucji.

Przeanalizowali również obecne, oddolne dowody na to, że jeszcze przed pojawieniem się życia, jakie znamy, chemia podobna do łańcucha transportu elektronów mogła być ułatwiona przez minerały i wody z oceanów wczesnej Ziemi. Zainspirowani tymi obserwacjami, autorzy nakreślają przyszłe strategie badawcze, które łączą badania odgórne i oddolne nad najwcześniejszą historią łańcuchów transportu elektronów, aby lepiej zrozumieć starożytny metabolizm energetyczny i szerzej pochodzenie życia.

To badanie jest zwieńczeniem pięciu lat wcześniejszych prac tego multidyscyplinarnego, interdyscyplinarnego zespołu kierowanego przez Barge’a z JPL, który został sfinansowany przez NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life w celu zbadania, w jaki sposób interakcje metaboliczne powstały w środowiskach geologicznych na wczesnej Ziemi . . Poprzednie prace zespołu dotyczyły na przykład określonych interakcji w łańcuchu transportu elektronów napędzanych przez metale (kierowane przez Jessicę Weber, naukowca z JPL); Jak starożytne enzymy może mieć Chemikalia prebiotyczne są zawarte w ich miejscach aktywnych (kierowany przez Goldmana); I Metabolizm drobnoustrojów w środowiskach o bardzo ograniczonej energii (Prowadzony przez Douga LaRue z University of Southern California).

„Pojawienie się metabolizmu jest zagadnieniem multidyscyplinarnym, dlatego potrzebujemy multidyscyplinarnego zespołu, aby to zbadać” – mówi Barge. „W naszej pracy wykorzystaliśmy techniki z chemii, geologii, biologii i modelowania komputerowego, aby połączyć te podejścia odgórne i oddolne, a ten rodzaj współpracy będzie ważny dla przyszłych badań prebiotycznych szlaków metabolicznych”.

Odniesienie: „Łańcuchy transportu elektronów jako okno na wczesne etapy ewolucji” autorstwa Aarona D. Obrady Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Badanie zostało sfinansowane przez National Aeronautics and Space Administration.