Човечеството се е сварило в бульон

Животът се е появил на нашата планета около половин милиард години след възникването на Земята, тоест преди около 4 млрд. години – именно тогава се е зародил първият общ прародител на всички живи същества.

Той е представляват една-единствена клетка, чийто генетичен код е включвал няколкостотин гена. Тази клетка имала всичко необходимо за живот и бъдещо развитие – механизми, отговарящи за синтеза на белтъци, възпроизводството на наследствена информация и изработката на рибонуклеинова киселина (РНК), която също отговаря за кодирането на генетични данни.

Учените разбрали, че първият общ прародител на всички живи същества се е зародил от така наречения първичен бульон – аминокиселини, възникващи от съединенията на водата с химичните елементи, с които са били изпълнени водоемите на младата Земя.

Възможността за формиране на аминокиселини от сместа химични елементи е била доказана в резултат на експеримента на Милър–Юри. В хода на опита Стенли Милър моделирал атмосферните условия на Земята преди около 4 млрд. години, като запълнил тяхната смес с газове – метан, амоняк, въглерод и въглероден окис, и допълнил вода. После пуснал през колбата електричество, което трябвало да произведе ефект на разряди на мълнии.

В резултат от взаимодействието на веществата Милър получил в колба пет аминокиселини – основните строителни елементи на всички белтъци.

Половин век по-късно, през 2008 година, изследователите провели повторен анализ на съдържимото на колбите, които Милър съхранявал, и изяснили, че всъщност сместа от продукти съдържала далеч не 5 аминокиселини, а 22, просто авторът на експеримента не е могъл да ги идентифицира преди няколко десетилетия.

След това пред учените застанал въпросът за това, какви от трите основни молекули, съдържащи се във всички живи организми (ДНК, РНК или белтъци) са станали следващата степен за формиране на живота. Сложността на този въпрос е в това, че процесът по образуване на всяка от трите молекули зависи от две други и не може да бъде осъществен в нейно отсъствие.

По такъв начин учените трябвало да признаят възможността от формиране едновременно на два класа молекули в резултат на случайна успешна комбинация от аминокиселини, или да се съгласят с това, че структурата на техните сложни взаимовръзки се е образувала спонтанно, чак след възникването на всички три класа.

Проблемът бил решен през 80-те години, когато Томас Чек и Сидни Алтман открили способността на РНК да съществува напълно автономно, встъпвайки като ускорител на химични реакции и синтезирайки нови, аналогични РНК. Това откритие е довело до появата на „хипотезата за света на РНК“, изказана за първи път от микробиолога Карл Везе през 1968 година и окончателно формулирана от биохимика и лауреат на Нобелова награда по химия Уолтър Гилбърт през 1986 г.

Същината на тази теория е в това, че за основа на живота се признават молекулите на рибонуклеиновата киселина, които в процеса на самовъзпроизвеждане са натрупвали мутации. Тези мутации в крайна сметка са довели до способността на рибонуклеиновата киселина да създава белтъци. Белтъчните съединения се явяват по-ефективен катализатор от РНК и именно затова създаваните от тях мутации са се закрепили в процеса на естествения отбор.

Едновременно с това са се формирали и „хранилищата“ на генетична информация – ДНК. Рибонуклеиновите киселини са се съхранили като посредник между ДНК и белтъците, изпълнявайки множество различни функции.

Те съхраняват информация за последователността на аминокиселините в белтъците, пренасят аминокиселините на мястото на синтез на пептидните връзки, вземат участие в регулирането на степента на активност на едни или други гени.

Сега учените нямат еднозначни доказателства, че подобен синтез на РНК в резултат на случайни съединения на аминокиселини е възможен, макар определени потвърждения да има – през 1975 година учените Манфред Сампер и Рудигер Люс демонстрирали, че при определени условия РНК може спонтанно да възникне в смес, съдържаща само нуклеотиди и репликаза, а през 2009 година изследователите от Манчестърския университет доказали, че уридин и цитидин – съставните части на рибонуклеиновата киселина – може да са се синтезирали в условията на ранната Земя.

И все пак някои изследователи продължават да критикуват „хипотезата за света на РНК“ поради изключително ниската вероятност от спонтанно възникване на рибонуклеиновата киселина, притежаваща каталитични свойства.

Учените Ричард Уулфенден и Чарлз Картър от университета на Северна Каролина са предложили своя версия на формирането на живота от първичния „строителен материал“. Те смятат, че аминокиселините, формирани от набора съществуващи на Земята химични елементи, са станали база за образуването на не на рибонуклеиновите киселини, а за други, по-прости вещества – белтъчните ензими, които са направили възможна появата на РНК. Изследователите са публикували резултатите от своята работа в сп. PNAS.

Ричард Уулфенден анализирал свойствата на 20 аминокиселини и стигнал до извода, че аминокиселините може самостоятелно да осигуряват процеса по формиране на структурата на пълноценен белтък. Тези белтъци на свой ред се явяват ензими – молекули, ускоряващи химичните реакции в организма. Чарлз Картър продължил работата на своите колеги, давайки за пример ензима аминоацил-тРНК-синтетаза за огромното значение, което ензимите може да са играли за по-нататъшното развитие на основите на живота – тези белтъчни молекули са способни да разпознават транспортните рибонуклеинови киселини, осигурявайки тяхното съответствие на генетичния код и организирайки по този начин вярното предаване на генетична информация на следващите поколения.

Според авторите на изследването те са успели да открият това „липсващо звено“, което е било междинен етап между образуването на аминокиселините от първичните химични елементи и образуването на сложни рибонуклеинови киселини от тях. Процесът на образуване на белтъчни молекули е доста прост в сравнение с образуването на РНК, а неговата реалистичност е била доказана от Уулфенден с изучаването на 20-те аминокиселини.

Изводите на учените дават отговор на още един въпрос, който от много време вълнува изследователите: кога се е случило „разделението на труда“ между белтъците и нуклеиновите киселини, към които се отнасят ДНК и РНК. Ако теорията на Уулфенден и Картър е вярна, то може смело да се твърди, че белтъците и нуклеиновите киселини са си „поделили“ основните функции в зората на възникването на живота, а именно – преди около 4 милиарда години.