Az élet eredetének megfejtetlen rejtélye: új stratégia

Az élet eredete továbbra is tudományos rejtély, a kutatások megoszlanak az „alulról felfelé irányuló” módszerek között, amelyek a korai Föld környezetét szimulálják, és a „felülről lefelé” irányuló módszerekre, amelyek az evolúciós biológiát használják az életformák nyomon követésére. Egy közelmúltban megjelent interdiszciplináris cikk e módszertanok áthidalását javasolja az elektrontranszport láncok, egy globális metabolikus rendszer tanulmányozásával, betekintést nyújtva az élet első anyagcsere-stratégiáiba és azok eredetébe.

A több éves haladás ellenére az élet eredete továbbra is a tudomány egyik legmaradandóbb titka.

„A biológia legfontosabb jellemzője, hogy az élőlények sejtekből állnak, amelyeken keresztül genetikai információkat továbbítunk DNS„Fehérjeenzimeket használnak az anyagcseréjük működtetésére, és mindez egy nagyon korai evolúciós történelem során specifikus folyamatok során alakult ki” – mondja Aaron Goldman, az Oberlin College biológia adjunktusa. „Ha megértjük, hogy ezek az alapvető biológiai rendszerek hogyan alakultak ki először, az nemcsak az élet működésének alapvető szintjébe ad betekintést, hanem azt is, hogy valójában mi is az élet, és hogyan kereshetjük azt a Földön túl.”

Az élet első megjelenésének kérdését általában laboratóriumi kísérletekkel tanulmányozzák, amelyek a korai földi környezetet szimulálják, és olyan kémiát keresnek, amely ugyanolyan típusú biomolekulákat és metabolikus reakciókat hozhat létre, mint amilyeneket a mai élőlényekben látunk. Ezt „alulról felfelé” történő megközelítésnek nevezik, mert olyan anyagokkal működik, amelyek egyébként a Földön prebiotikumok miatt lennének.

Miközben ezek az úgynevezett „prebiotikus kémiai” kísérletek sikeresen bizonyították, hogyan kell élni lehet Felnőve nem tudják megmondani, milyen is az élet valójában egy cselekedet felmerülhet. Eközben más kutatások az evolúcióbiológia technikáit alkalmazzák, hogy a mai élet adatai alapján rekonstruálják, hogyan nézhettek ki a korai életformák. Ez a „felülről lefelé” megközelítés az úgynevezett „felülről lefelé” megközelítés, és elmondhatja nekünk a földi élet történetét.

A felülről lefelé irányuló kutatás azonban csak visszatekinthet, mivel az élőlényekben még ma is megőrződött gének, tehát nem egészen az élet keletkezéséig. A felülről lefelé és alulról építkező kutatások korlátaik ellenére közös célt tűznek ki az élet eredetének feltárására, és ideális esetben válaszaik egy közös fogalomrendszerben konvergálnak.

Goldman, Lori Barge (Research Scientist in Astrobiology at the.) egy új cikket tett közzé NASAsugárhajtómű (Sugárhajtómű Laboratórium)) és munkatársai ennek a módszertani hiánynak a pótlására. A szerzők azzal érvelnek, hogy az élet eredetéhez vezető lehetséges utakra irányuló, alulról felfelé építkező laboratóriumi kutatásokat a korai életformák felülről lefelé irányuló evolúciós rekonstrukcióival kombinálva fel lehet fedezni, hogyan keletkezett valójában az élet a korai Földön.

A szerzők írásukban egy olyan, a mai élet szempontjából alapvető jelenséget írnak le, amely alulról felfelé és felülről lefelé irányuló kutatások kombinálásával is tanulmányozható: az elektrontranszport láncokat.

Az elektrontranszport láncok egyfajta anyagcsere-rendszer, amelyet az élőlények az élet fáján keresztül használnak, a baktériumoktól az emberekig, hogy felhasználható kémiai energiaformákat állítsanak elő. Az elektrontranszport-láncok sokféle típusa az egyes életformákra és az általuk használt energia-anyagcserére jellemző: például mitokondriumaink tartalmaznak egy heterotróf (élelmiszer-fogyasztó) energiaanyagcseréhez kapcsolódó elektrontranszport-láncot; Míg a növényekhez teljesen más elektronszállítási lánc kapcsolódik Fotoszintézis (Energiát termel a napfényből).

A mikrobiális világban pedig az élőlények az elektrontranszport láncok széles skáláját használják, amelyek különféle energia-anyagcsere-folyamatokhoz kapcsolódnak. E különbségek ellenére azonban a szerzők felülről lefelé irányuló kutatásokból származó bizonyítékokat írnak le arra vonatkozóan, hogy ezt a fajta metabolikus stratégiát az élet nagyon korai formái alkalmazták, és számos modellt kínálnak az ősi elektrontranszport-láncokra, amelyek a nagyon korai evolúciós történetre vezethetők vissza.

Felmérték a jelenlegi, alulról felfelé építkező bizonyítékokat is, amelyek szerint még az általunk ismert élet megjelenése előtt az elektronszállítási láncszerű kémiát elősegíthették a korai földi óceánok ásványai és vizei. E megfigyelések ihlette a szerzők olyan jövőbeli kutatási stratégiákat vázolnak fel, amelyek az elektrontranszport-láncok legkorábbi történetének felülről lefelé és alulról felfelé irányuló kutatásait ötvözik annak érdekében, hogy jobban megértsék az ősi energiaanyagcserét és tágabb értelemben az élet eredetét.

Ez a tanulmány a JPL Barge által vezetett, multidiszciplináris, interdiszciplináris csapatának ötéves korábbi munkájának a csúcspontja, amelyet a NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life finanszírozott annak tanulmányozására, hogyan keletkeztek metabolikus kölcsönhatások a korai Föld geológiai környezetében. . A csapat korábbi munkája például a fémek által vezérelt specifikus elektrontranszport-lánc kölcsönhatásokat vizsgálta (Jessica Weber, a JPL kutatója vezetésével); hogyan ősi enzimek lehet A prebiotikus kémiák aktív helyeik közé tartoznak (Goldman vezetésével); És Mikrobiális anyagcsere erősen energiakorlátos környezetben (Doug LaRue, a Dél-Kaliforniai Egyetem vezetője).

„Az anyagcsere megjelenése multidiszciplináris kérdés, ezért szükségünk van egy multidiszciplináris csapatra, hogy tanulmányozzuk ezt” – mondja Barge. „Munkánkban a kémia, a geológia, a biológia és a számítási modellezés technikáit alkalmaztuk, hogy kombináljuk ezeket a felülről lefelé és alulról felfelé irányuló megközelítéseket, és ez a fajta együttműködés fontos lesz a prebiotikus anyagcsere-útvonalak jövőbeli vizsgálataiban.”

Hivatkozás: „Electron Transport Chains as a Window to the Early Stages of Evolution”, Aaron D. Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

A tanulmányt a Nemzeti Repülési és Űrkutatási Hivatal finanszírozta.