Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Zagadnienie powstania życia jest pełne zagadek. Mimo że nauka rozwiewa kolejne tajemnice, wciąż pozostało wiele do wyjaśnienia, a najtrudniejsze są problemy typu „jajko czy kura". Okazuje się, że niektóre z nich rozwiązują właściwości chemiczne metali przejściowych.

Od pięćdziesięciu lat wielkim problemem teorii powstania życia jest fakt, że do powstania monomerów potrzebne są pełniące rolę katalizatorów duże cząsteczki białek, a te zbudowane są właśnie z monomerów - tłumaczy Harold Morowitz z George Mason University.

Zwykło się uważać, że jeśli zrozumiemy rolę węgla, wodoru, azotu, tlenu, fosforu i siarki, będziemy natychmiast w stanie pojąć istotę życia - kontynuuje Morowitz. Ale skoro odkrywamy, że inne stosunkowo rzadkie pierwiastki, metale przejściowe, są niezbędne w biologii, musimy też zapytać o ich rolę w powstaniu życia. Zarys rozwiązania pojawił się podczas studiowania tablicy okresowej pierwiastków. Uważamy, że bez zrozumienia, jaką rolę pełnią zwykłe reakcje chemiczne, nie rozwiążemy problemu.

Wiarygodne i proste rozwiązanie tej zagadki zaproponowali Morowitz, Vijayasarathy Srinivasan (również pracownik GMU) oraz Eric Smith z Santa Fe Institute. Uważają oni, że metale przejściowe (żelazo, miedź, nikiel itp.) mogą służyć jako prosty katalizator umożliwiający powstawanie aminokwasów i nukleotydów. Byłby to trzeci znany rodzaj katalizatora, oprócz białek i rybozymów. Według modelu zaproponowanego przez uczonych, właśnie w ten sposób, podczas reakcji w podwodnych kominach geotermalnych (już dawniej łączonych z powstaniem życia), „zastartował" metabolizm, czyli samopodtrzymywanie się życia.

Metale przejściowe mogą łączyć się z ligandami (atomami w związkach kompleksowych, które są bezpośrednio przyłączone do atomu centralnego); atom metalu przejściowego działa wtedy jak ośrodek kompleksu metalowo-ligandowego. Tak mogły one katalizować powstawanie najprostszych monomerów, które z kolei stanowiły podstawę bardziej złożonych cząsteczek.

Według pomysłodawców tej teorii, życie mogło się rozpocząć dzięki redukcyjnemu cyklowi kwasu cytrynowego (tzw. cyklowi Krebsa, cyklicznemu szeregowi reakcji biochemicznych, niezbędnych wielu mikroorganizmom). Istnieją dowody, że właśnie w środowisku kominów hydrotermalnych panują dogodne warunki do jego przebiegu. Morowitz i współpracownicy zamierzają teraz przeprowadzić eksperymenty sprawdzające katalityczne właściwości związków metali z różnymi ligandami.

Interesującą konsekwencją tej teorii jest fakt, że powstanie życia byłoby na tyle proste, że mogło do niego dojść nie raz, lecz wielokrotnie. Oznaczałoby to, że powstanie życia jest bardzo prawdopodobne nie tylko na naszej planecie, ale również poza nią.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      O ile powstanie życia - pierwszej, prostej komórki jest wielka zagadką, o tyle kolejną zagadką jest powstanie organizmów wielokomórkowych. Pierwsze jednokomórkowce powstały cztery miliardy lat temu, ale dwa kolejne miliardy lat minęły, nim zaczęło pojawiać się bardziej złożone formy życia. Jak do tego doszło? Europejscy naukowcy mają nową koncepcję.
      Do tej pory sądzono, że organizmy wielokomórkowe powstały z połączenia się, rodzaju kolonii jednokomórkowców. Poszczególne komórki w takich koloniach współpracowały, potem specjalizowały się, stając się jednocześnie coraz bardziej zależne od innych, komplikując jednocześnie swoją budowę, wytwarzając jądro komórkowe, mitochondria itd.
      Nick Lane, brytyjski biolog z University College London oraz William Martin, niemiecki biolog z University of Duesseldorf uważają, że ten sposób nie zadziałałby, a organizmy wielokomórkowe powstały w inny sposób, dzięki bardzo wyjątkowemu zdarzeniu, co było przyczyną, że tak długo trzeba było czekać. Ich zdaniem najpierw musiały powstać eukarionty - czyli organizmy posiadające jądro komórkowe z mitochondriami, dopiero potem mogły one łączyć się w bardziej złożone życie.
      Dlaczego? Mitochondria są zwane komórkowymi elektrowniami, to one bowiem wytwarzają energię dla komórki. Jądro komórkowe z kolei sprawia, że komórka zawiera wielokrotnie więcej genów (nawet tysiąc razy więcej), może wytwarzać znacznie więcej różnorodnych białek, szybciej więc ewoluuje, komplikuje i dostosowuje do zmian środowiska.
      Prokarionty, czyli prymitywne komórki, pozbawione mitochondriów, zdaniem Lane'a i Martina nie dysponują wystarczającą ilością energii, aby mogły wystarczająco komplikować swoich funkcji. To nadwyżki energii pozwoliły na powiększanie złożoności i specjalizacji. Z kolei brak jądra i mała ilość genów nie dawały możliwości ewolucji, potrzeba było „nadmiaru" różnorodnych genów, żeby zapoczątkować szybką ewolucję wielokomórkową.
      Jak jednak doszło do powstania pierwszej komórki eukariotycznej? Zdaniem autorów studium musiał zaistnieć incydent, w którym jedna komórka znalazła się wewnątrz drugiej. Musiało to być zjawisko nie tylko rzadkie, ale również wymagające dodatkowych okoliczności, żeby coś z tego wyszło. W większości podobnych przypadków zapewne komórki zaczynały walczyć i niszczyły się nawzajem, albo też wewnętrzna komórka stawała się pasożytem i zabijała powoli swojego gospodarza. Jednak wyjątkowy przypadek, w którym tak połączone komórki współpracowały i wspierały się nawzajem, zapoczątkował nową jakość. Większa złożoność dawała przewagę ewolucyjną, a członkowie tandemu stopniowo zaczynali się specjalizować. Wewnętrzna komórka upraszczała się, tworząc jądro i większość zbędnych genów „przelewając" na gospodarza. Bogactwo kodu genetycznego dawało lepsze możliwości przystosowania się, a pojawienie się mitochondriów dało energię na taki proces.
      W ciągu dwóch kolejnych miliardów lat eukarionty rozwinęły się, zróżnicowały i w postaci tak różnorodnych organizmów jak rośliny, owady i zwierzęta zdominowały ekosystem.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy powoli zgłębiają tajemnicę powstania życia, a kolejne eksperymenty pokazują, jak mogło się ono tworzyć i powielać w środowisku podmorskich gorących źródeł. Ale angielscy uczeni pokazali, że równie dobrym środowiskiem mógł być... lód. To jak było?
      Gorące kominy termalne na dnie oceanów są - teoretycznie - wymarzonym miejscem na proces powstania życia. Różnice temperatur, nasycenie wieloma związkami chemicznymi, obieg wody w miniaturowych kanałach, wszystko to sprzyja bogatym i powtarzalnym reakcjom chemicznym. Zresztą już Karol Darwin myślał o miejscu powstania życia jako ciepłym źródle. Ale biolog Philipp Holliger z Laboratorium Biologii Molekularnej (Laboratory of Molecular Biology) w Cambridge, wraz ze swoim zespołem udowodnił, że reakcje replikacji zachodzą doskonale w środowisku lodu, a w każdym razie lepiej, niż w temperaturze pokojowej.
      Mikroskopijne spękania i kanaliki w w lodzie stanowią dobre miejsce dla procesu powstawania molekuł RNA. Podczas procesu zamarzania lód „pozbywa się" rozpuszczonych substancji, stężenie soli i zanieczyszczeń w pozostającej wodzie rośnie, obniżając jej punkt zamarzania. Pozostające w lodzie „kieszonki" z wodą mogą być do tego niezłym środowiskiem.
      Zespół Hollingera odtworzył takie warunki w laboratorium, umieszczając w mikroskopijnych probówkach wodę, sole, cząsteczki będące cegiełkami, z których mogło powstać życie, rybozymy - enzymy RNA mogące uruchamiać reakcje: pełen zestaw, który powinien być zdolny do powielenia samego siebie. Takie, identyczne, zestawy schładzano do różnych temperatur. Okazało się, że w testowanych lodowych probówkach rybozymy nie tylko potrafiły budować nici RNA, ale radziły sobie z tym znacznie lepiej, niż w temperaturze pokojowej. Gdy jest ciepło, reakcja toczyła się szybko, ale szybko ustawała. Natomiast w zimnych warunkach toczyła się powoli, ale zachodziła znacznie dalej, z łatwością wyprzedzając swoim zaawansowaniem ciepłą „konkurencję".
      Nie wszystko oczywiście jest jasne i pomimo wykazania, że reakcja taka może zachodzić w lodzie, do ukończonego procesu replikacji droga jeszcze odległa, udało się na razie doprowadzić budowę nici RNA do długości 32 cegiełek, podczas gdy pełen rybozym ma długość 190.
      Mimo niekompletności, wynik jest znakomity, jak uważa Pierre-Alain Monnard z University of Southern Denmark. Problem, jak zachodziły reakcje biologiczne, zanim mogły liczyć na ochronne środowisko komórki, długo trapił naukowców. Eksperyment pokazał, że takim przytulnym, bezpiecznym miejscem mogły być lodowe kanaliki. Czy mogły w nich zachodzić również inne, potrzebne reakcje i jak one wyglądały - pozostaje to polem dla następnych eksperymentów.
      Badania struktury mikroporów w lodzie powstającym wody o różnym zasoleniu sugerują, że lepszym środowiskiem mogła być zamarzająca słodka woda. Takie warunki istnieją na wielu planetach i księżycach, a nawet niektórych kometach naszego układu słonecznego. Jeśli rzeczywiście życie może powstawać również w lodzie, oznacza to, że może być znacznie bardziej rozpowszechnione we Wszechświecie.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Atmosfera naszej planety jest wyjątkowa: nie tylko zapewnia nam warunki do życia na jej powierzchni, ale - razem z ziemskim polem magnetycznym - chroni nas przed szkodliwym wpływem promieniowania kosmicznego oraz mniejszymi meteorytami. Nie każda planeta ma atmosferę, a te, które ją mają, często ją tracą, kiedy gazy atmosferyczne uciekają w przestrzeń. Pewien niepokój może więc budzić fakt, że atmosfera naszej planety staje się ostatnio rekordowo rzadka.
      Nie ma oczywiście żadnych powodów do obaw, że Ziemia nagle utraci swoją atmosferę. Ale duże, odnotowane ostatnio zmiany, mogą stanowić sygnał niekorzystnych zjawisk. Odkryta anomalia dotyczy jej górnych warstw termosfery i egzosfery, obszaru pomiędzy 200 a 600 kilometrów nad ziemią. Gęstość atmosfery na takiej wysokości to zaledwie jedna miliardowa gęstości przy poziomie gruntu. Ma ona jednak znaczenie praktyczne: nawet przy takim rozrzedzeniu wywiera istotny wpływ na krążące na niskiej orbicie satelity. Atmosferyczne hamowanie musi być uwzględnione przy planowaniu orbity. Zbyt gęsta atmosfera może spowodować wyhamowanie obiektu na orbicie i w rezultacie upadek na ziemię, dotyczy to również całe masy orbitalnych śmieci: nieczynnych satelitów, czy ich fragmentów. Dlatego ta część atmosfery jest uważnie monitorowana od wielu lat.
      Zespół naukowców z amerykańskiego Laboratorium Badawczego Marynarki (Naval Research Laboratory) oraz Uniwersytetu George'a Masona (George Mason University) odkryli, że ostatnio ziemska atmosfera w jej górnych warstwach osiągnęła niespotykanie niską gęstość, najmniejszą od 43 lat.
      Gęstość atmosfery na tej wysokości zależy od jej temperatury - im jest cieplejsza, tym bardziej staje się gęsta i tym dalej rozciąga się w kosmos. Co więc spowodowało ochłodzenie jej górnych warstw? Na temperaturę atmosfery na tej wysokości mają wpływ dwa czynniki: podgrzewanie jej poprzez absorpcję promieniowania ultrafioletowego, oraz chłodzenie podczas wypromieniowywania ciepła przez dwutlenek węgla. Ilość docierającego do Ziemi ultrafioletu spadła, ponieważ nasze słońce było ostatnio w cyklu niskiej aktywności, w dodatku cykl ten był wyjątkowo spokojny. Ten efekt nie może jednak wg obliczeń odpowiadać za aż tak duży spadek temperatury i gęstości. I tu przychodzi drugi czynnik: dwutlenek węgla, czyli najpopularniejszy gaz cieplarniany. Przy powierzchni ziemi powoduje on zatrzymywanie ciepła, jednak jego większa produkcja na ziemi to również większa jego ilość w wyższych partiach atmosfery, a tam oddaje on ciepło poprzez promieniowanie podczerwone. Pokazuje to, jak skomplikowane i niejednoznaczne są mechanizmy praw natury.
      Wciąż jednak, wg autorów badania, odnotowany spadek gęstości jest zbyt duży, aby odpowiadały za niego tylko te dwa czynniki. Naukowcy uważają, że istotne tu są zmiany składu chemicznego naszej atmosfery i proporcje różnych gazów. Pamiętajmy, że niektóre z nich dają „efekt cieplarniany" setki lub nawet tysiące razy silniejszy niż CO2. Konieczne są zatem dalsze badania, aby przewidzieć dalszy przebieg tego procesu i jego skutki.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      To z pewnością jedno z najbardziej sensacyjnych odkryć ostatniego czasu. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Monachium nie tylko teoretycznie, ale praktycznie pokazał, w jaki sposób DNA może replikować się bez udziału żywych organizmów.
      Obok zagadki powstania metabolizmu, o której rozwiązaniu niedawno pisaliśmy, zagadka: co było pierwsze, DNA, czy życie stanowiła jedną z największych tajemnic powstania życia. Żaden organizm nie może się powielać bez DNA, a DNA może powielać się tylko w żywych organizmach. Przynajmniej do tej pory tak sądzono. Praca i eksperymenty, jakie przeprowadzili Christof Mast i Dieter Braun z Uniwersytetu im. Ludwiga Maximiliana w Monachium pokazały, że DNA może powielać się i różnicować w całkiem prostych warunkach. Kluczem okazały się głębokomorskie wulkaniczne kominy hydrotermalne. Jak jakiś czas temu pisaliśmy, zdziwienie naukowców budził fakt, że w warunkach, jakie tam panują - ekstremalne temperatury, ciśnienie i przesycenie wody związkami chemicznymi - bujnie kwitnie tam życie. Dziś okazuje się, że to być może właśnie tam życie powstało.
      Hydrotermalne ujścia, zwane kominami znaleźć można na głębokim oceanicznym dnie, tam, gdzie rozstępują się płyty tektoniczne, powodując wysoką aktywność wulkaniczną. Z dna wydobywa się lawa, wrząca woda (powyżej 350°C), przesycona związkami chemicznymi: amoniakiem, metanem, czy siarczkami metali, które odkładają się, tworząc podwodne struktury. Dziś można powiedzieć, że obecność życia w takich warunkach nie tylko nie powinna dziwić, ale powinna być oczywista. Być może stąd pochodzimy.
      W takich warunkach występują porowate skały bogate w magnez. Magnezowe skały reagują z wodą, tworząc ciepło, które powoduje konwekcję - unoszenie się cieplejszej wody i opadanie chłodniejszej - w tych właśnie mikroskopijnych skalnych porach. Ponieważ ściana takiego miniaturowego naczynia znajdująca się bliżej gorącego komina jest cieplejsza od przeciwległej, woda może krążyć „w kółko", tworząc naturalne urządzenie mieszające. W takim naczyniu mogłyby gromadzić się nukleotydy, nici DNA i polimeraza, których ciągłe mieszanie sprzyjałoby zagęszczaniu i powielaniu się. Ten model obala jedną z największych wątpliwości, mówiącą, że w zagęszczenie tych elementów w pierwotnym oceanie nie mogło być wystarczająco wysokie, żeby pozwolić na ich skuteczne oddziaływanie.
       
      Jak to działa?
       
      Proces wygląda tak: unoszące się podwójne DNA jest „rozrywane" na pojedyncze nici przez podwyższoną temperaturę. Po chłodniejszej stronie polimeraza powoduje doklejanie swobodnych nukleotydów do pojedynczej nici DNA, w miarę opadania zwiększa się ich koncentracja, co sprzyja szybszej odbudowie podwójnej helisy, która za chwilę może być znów uniesiona po gorącej stronie. W ten sposób stopniowo zwiększa się zagęszczenie fragmentów DNA, powstają coraz to nowe kopie. Model wyjaśnia też, jak może dochodzić do rekombinacji, czyli mieszania nici DNA, powodując powstawanie nowych wariantów. Wystarczy, że „produkty" naturalnego replikatora zawędrują do sąsiednich, gdzie podobny proces wykształcił odmienne nici DNA. Taka wędrówka może się odbywać zapewne na wiele sposobów, ale uczeni proponują konkretny środek transportu: kwasy tłuszczowe. W zeszłym roku naukowcy z Harvardu odkryli, że w warunkach cieplnej konwekcji - które przecież właśnie panują w interesującym nas miejscu - kwasy tłuszczowe tworzą błony. Błony takie zaś stanowią doskonałą pułapkę na unoszące się w wodzie nici DNA, mogą je zagęszczać i przenosić w inne miejsca.
      Nie jest to już tylko model teoretyczny, bowiem zespół monachijskiego uniwersytetu odtworzył wspomniane warunki w laboratorium. Niewielkie rurki, długie zaledwie na półtora milimetra, napełniono materiałem: niciami DNA, polimerazą i nukleotydami. Podgrzewano je z jednej strony przy pomocy lasera, aby wywołać konwekcyjne mieszanie zawartości. Bingo, okazało się, że rzeczywiście w takich warunkach DNA się powiela. W doświadczeniu nowa kopia pojawiała się co 50 sekund.
      Ewolucja miała miliardy lat i miliardy takich naczynek. W ten sposób dołożono nową cegiełkę do obrazu „jak powstało Życie na Ziemi". Może nieprędko ten obraz będzie kompletny, ale kiedyś to nastąpi.
×
×
  • Create New...