Bagaimana kehidupan berjaya mengumpulkan pelbagai bahagian? Paling tidak, bentuk kehidupan pertama di Bumi memerlukan kaedah untuk menyimpan dan menghasilkan semula maklumat. Barulah mereka dapat membuat salinan sendiri dan tersebar di seluruh dunia. Mungkin kimia memainkan peranan yang jauh lebih penting dalam asal usul kehidupan daripada yang difikirkan sebelumnya.
Salah satu hipotesis yang paling berpengaruh adalah semuanya bermula dengan RNA, molekul yang secara serentak dapat mencatat rekod genetik dan mencetuskan reaksi kimia. Hipotesis "dunia RNA" memanifestasikan dirinya dalam banyak bentuk, tetapi menurut yang paling tradisional, kehidupan bermula dengan pembentukan molekul RNA yang mampu menghasilkan semula dirinya. Keturunannya mengembangkan kemampuan untuk melakukan banyak tugas seperti membuat sebatian baru dan menyimpan tenaga. Lama kelamaan, kehidupan yang sukar diikuti.
Walau bagaimanapun, para saintis mendapati bahawa RNA yang meniru sendiri sukar dibuat di makmal. Mereka berjaya, tetapi molekul calon yang dibuat setakat ini hanya dapat menghasilkan semula RNA dari urutan atau panjang tertentu. Sebagai tambahan, molekul RNA ini sendiri cukup kompleks, yang menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana molekul tersebut dapat dibentuk oleh kehendak kemalangan kimia.
Nick Hud, seorang ahli kimia di Institut Teknologi Georgia, dan rakan-rakannya memutuskan untuk melampaui biologi dan mengkaji kemungkinan peranan kimia dalam asal-usul kehidupan. Mungkin, sebelum kemunculan biologi, ada tahap awal kehidupan proto, di mana hanya proses kimia yang menciptakan "bufet" molekul RNA dan RNA. "Saya rasa ada beberapa langkah yang membawa kepada sistem penopang diri yang mereplikasi diri," kata Hud.
Dalam senario ini, pelbagai molekul seperti RNA dapat dibentuk secara spontan, membantu kaldu kimia untuk mencipta banyak butiran yang diperlukan untuk perkembangan kehidupan secara serentak. Bentuk kehidupan proto bereksperimen dengan teknik molekul primitif, membelahnya secara berasingan. Seluruh sistem berfungsi seperti penghancur raksasa. Hanya ketika sistem seperti itu dibentuk RNA yang meniru diri muncul.
Inti dari cadangan Hud adalah cara kimia untuk mewujudkan pelbagai kehidupan proto. Simulasi komputer menunjukkan bahawa keadaan kimia tertentu dapat menghasilkan koleksi molekul mirip RNA. Pasukan ini sedang menguji idea ini dengan molekul sebenar di makmal dan berharap dapat memberikan hasil tidak lama lagi.
Kumpulan Hud membuka jalan bagi sebilangan penyelidik yang mencabar hipotesis tradisional dunia RNA dan pergantungannya pada evolusi biologi, bukannya kimia. Dalam model tradisional, kejuruteraan molekul baru diciptakan menggunakan pemangkin biologi - enzim - seperti halnya sel moden. Selama tahap proto-kehidupan Hud, banyak molekul RNA atau RNA dapat dibentuk dan diubah menggunakan cara kimia semata-mata. "Evolusi kimia dapat membantu memulakan hidup tanpa enzim," kata Hud.
Video promosi:
Hud dan rakan-rakannya memutuskan untuk melangkah lebih jauh dan menganggap bahawa ribosom, satu-satunya bahagian kejuruteraan biologi yang terdapat dalam semua makhluk hidup hari ini, keluar sepenuhnya dari kimia sahaja. Ini adalah cara yang tidak biasa untuk melihat sesuatu, kerana banyak yang percaya bahawa ribosom dilahirkan oleh biologi.
Sekiranya pasukan Hud dapat membuat bentuk kehidupan proto dalam kondisi yang mungkin ada di Bumi awal, dapat diasumsikan bahawa evolusi kimia mungkin memainkan peranan yang jauh lebih penting dalam asal usul kehidupan daripada yang diharapkan para saintis. "Evolusi Darwin mungkin didahului oleh bentuk evolusi yang lebih sederhana," kata Niels Lehman, seorang ahli biokimia di Universiti Portland di Oregon.
Dunia pra-Darwin
Ketika kebanyakan memikirkan evolusi, evolusi Darwin muncul dalam fikiran, di mana organisma saling bersaing untuk mendapatkan sumber yang terhad dan menyampaikan maklumat genetik kepada keturunannya. Setiap generasi mengalami pembetulan genetik, dan keturunan yang paling berjaya bertahan untuk meneruskan gen mereka. Cara evolusi ini berlaku dalam kehidupan moden.
Karl Woese, ahli biologi terkenal yang memberi kita pohon kehidupan moden, percaya bahawa era Darwin didahului oleh tahap awal kehidupan, diperintah oleh kekuatan evolusi yang sama sekali berbeza. Woese percaya bahawa hampir mustahil bagi satu sel untuk mendapatkan semua yang diperlukan untuk hidup. Oleh itu, ia membayangkan pelbagai molekul yang terlibat dalam kewujudan komunal. Daripada bersaing satu sama lain, sel primitif berkongsi inovasi molekul. Kaldu pra-Darwin ini mencipta bahan-bahan yang diperlukan untuk kehidupan yang kompleks, membuka jalan untuk managerie yang luar biasa yang kita lihat di Bumi hari ini.
Model Hud mengambil masa wawasan pra-Darwinian Woese lebih lama lagi, menyediakan sel primitif dengan cara kimia untuk mewujudkan kepelbagaian molekul. Satu bentuk kehidupan proto dapat merancang cara untuk membuat blok yang diperlukan untuk membuatnya sendiri, yang lain dapat mencari jalan untuk mendapatkan tenaga. Model ini berbeza dengan hipotesis tradisional dunia RNA dalam pergantungannya pada kimia dan bukan evolusi biologi.
Dalam dunia RNA, molekul RNA pertama menghasilkan semula menggunakan ribozim enzim terbina dalam, yang terdiri daripada RNA. Dalam dunia proto-kehidupan Hud, tugas ini dilaksanakan secara eksklusif dengan kaedah kimia. Kisahnya bermula dengan sup kimia molekul seperti RNA. Sebilangan besar pendek, kerana rantai pendek kemungkinan terbentuk secara spontan, tetapi mungkin ada molekul yang lebih panjang dan kompleks. Model Hud menerangkan bagaimana molekul yang lebih lama dapat dihasilkan semula tanpa bantuan enzim.
Hud percaya bahawa di dunia prebiotik, kaldu RNA utama menjalani kitaran pemanasan dan penyejukan biasa dan menjadi pekat dan likat. Panas memisahkan pasangan RNA yang terikat, dan larutan likat menjauhkan molekul untuk sementara waktu. Sementara itu, segmen kecil RNA, hanya beberapa aksara, dilekatkan pada setiap helai panjang. Segmen kecil ini secara beransur-ansur dijahit bersama, membentuk helai RNA baru yang sesuai dengan helai panjang yang asli. Kemudian kitaran bermula semula.
Laluan kimia replikasi RNA
Seiring berjalannya waktu, ketika kaldu pelbagai molekul seperti RNA berkembang dan berkembang, beberapa di antaranya memperoleh fungsi sederhana seperti metabolisme. Demikian juga, tindak balas kimia tulen dapat menghasilkan kepelbagaian molekul untuk mewujudkan cornucopia pra-Darwin dari proto-kehidupan Woese.
Kumpulan Hud telah berjaya menyelesaikan tahap awal proses pembiakan di makmal, walaupun mereka belum belajar bagaimana merekatkan segmen pendek tanpa menggunakan alat biologi. Sekiranya mereka dapat mengatasi halangan ini, mereka akan mencipta cara universal untuk menghasilkan semula RNA.
Namun, beberapa saintis meragui bahawa pembiakan yang dimediasi secara kimia akan cukup baik untuk menghasilkan semula dunia pra-Darwin yang dijelaskan oleh Hud. "Saya tidak tahu sama ada saya mempercayainya," kata Paul Higgs, ahli biofisik di Universiti McMaster di Hamilton, Ontario yang mengkaji asal usul kehidupan. "Semuanya harus berlaku dengan cepat dan tepat untuk mewujudkan konsistensi." Artinya, proses ini mesti menghasilkan RNA baru lebih cepat daripada yang dimusnahkan, dan cukup tepat untuk membuat salinan anggaran molekul templat.
Perubahan kimia sahaja tidak cukup untuk menghidupkan kehidupan. Kaldu kehidupan proto masih memerlukan beberapa pilihan yang akan memastikan molekul bermanfaat akan berkembang dan berkembang biak. Dalam model mereka, kumpulan Hada menunjukkan bahawa enzim proto paling sederhana mungkin muncul dan menyebar, yang mula memberi manfaat kepada pencipta dan masyarakat mereka secara luas. Sebagai contoh, molekul RNA yang menghasilkan lebih banyak blok bangunan menguntungkan dirinya dan jirannya dengan memberi mereka bahan mentah tambahan untuk pembiakan. Simulasi komputer yang dilakukan oleh kumpulan Hud menunjukkan bahawa molekul jenis ini dapat berakar. Orang yang memperkayakan kuahnya sangat berguna.
Akar ribosom
Satu kemungkinan sekilas dunia pra-Darwin dapat dilihat dalam ribosom, sekeping jentera molekul kuno yang mendasari kod genetik kita. Ini adalah enzim yang menerjemahkan RNA, yang menyandikan maklumat genetik, menjadi protein yang melakukan banyak reaksi kimia dalam sel kita.
Nukleus ribosom terdiri daripada RNA. Ini menjadikan ribosom unik - sebahagian besar enzim dalam sel kita terdiri daripada protein. Nukleus ribosom dan kod genetik adalah umum bagi semua makhluk hidup, yang menunjukkan keberadaannya pada awal evolusi kehidupan, mungkin bahkan sebelum ambang Darwin dilintasi.
Hud dan rakannya Lauren Williams, juga dari Georgia Tech, menunjukkan ribosom sebagai menyokong teori mereka tentang dunia yang ditentukan secara kimia. Dalam makalah yang diterbitkan tahun lalu, mereka membuat pernyataan kontroversial: inti ribosom dibuat melalui evolusi kimia. Dan mereka juga mencadangkan bahawa ia muncul bahkan sebelum munculnya molekul RNA replikasi diri pertama. Nukleus ribosom mungkin merupakan percubaan yang berjaya dalam evolusi kimia, kata mereka. Dan setelah berakar pada kuah pra-Darwin, ia melintasi ambang Darwin dan menjadi bahagian penting dalam semua kehidupan.
Argumen mereka bergantung pada kesederhanaan relatif inti ribosom, yang secara formal dikenali sebagai pusat transferase peptidil (PTC). Tugas PTC adalah menyatukan asid amino, asas protein. Tidak seperti enzim tradisional, yang mempercepat tindak balas kimia menggunakan "helah kimia pintar", ia berfungsi sebagai pengering. Dia memujuk dua asid amino untuk mengikat dengan hanya mengeluarkan molekul air. "Ini cara yang buruk untuk menyekat reaksi," kata Lehman. "Enzim protein biasanya bergantung pada strategi kimia yang lebih kuat."
Lehman menyatakan bahawa kesederhanaan mungkin mendahului kekuatan pada peringkat awal kehidupan. "Apabila anda memikirkan tentang asal usul kehidupan, pertama anda perlu memikirkan kimia sederhana; sebarang proses kimia termudah mungkin kuno, katanya. "Saya rasa ini adalah hujah yang lebih menarik daripada kenyataan bahawa dia termasuk dalam semua kehidupan."
Walaupun terdapat bukti yang kukuh, masih sukar untuk membayangkan bagaimana inti ribosom dapat dihasilkan sebagai hasil evolusi kimia. Enzim yang melakukan lebih banyak dirinya - seperti replika RNA dalam hipotesis dunia RNA - secara automatik membuat gelung tertutup, sentiasa meningkatkan produktiviti sendiri. Sebaliknya, inti ribosom tidak menghasilkan lebih banyak inti ribosom. Ia menghasilkan rantai asid amino secara rawak. Tidak jelas bagaimana proses ini harus merangsang pengeluaran lebih banyak ribosom.
Hud dan rakan-rakannya berspekulasi bahawa RNA dan protein berkembang bersamaan, dan siapa pun yang mengetahui cara bekerjasama selamat. Idea ini tidak mempunyai kesederhanaan dunia RNA, yang mendalilkan adanya molekul tunggal yang mampu secara bersamaan mengekod maklumat dan menjadi pemangkin reaksi kimia. Tetapi Hud berpendapat sebaliknya: kerumitan yang menambah keanggunan terhadap kemunculan hidup.
"Saya fikir selalu ada penekanan yang berlebihan pada kesederhanaan, bahawa satu polimer lebih baik daripada dua," katanya. "Mungkin lebih mudah untuk mendapatkan reaksi khusus jika kedua-dua polimer itu bekerja sama. Mungkin lebih mudah bagi polimer untuk bekerjasama sejak awal."
Berdasarkan bahan dari Majalah Quanta
