Nepaisant ilgametės pažangos, gyvybės kilmė išlieka viena iš ilgalaikių mokslo paslapčių.

„Svarbiausia biologijos ypatybė – gyviai susideda iš ląstelių, per kurias perduodama genetinė informacija DNR„Jie naudoja baltymų fermentus, kad suaktyvintų medžiagų apykaitą, ir visa tai atsirado per specifinius procesus labai ankstyvoje evoliucijos istorijoje“, – sako Aaronas Goldmanas, Oberlino koledžo biologijos docentas. „Supratimas, kaip šios pagrindinės biologinės sistemos pirmą kartą susiformavo, ne tik suteiks mums supratimo apie tai, kaip gyvybė veikia pagrindiniu lygmeniu, bet ir apie tai, kas iš tikrųjų yra gyvybė ir kaip mes galime jos ieškoti už Žemės ribų.”

Klausimas, kaip atsirado gyvybė, paprastai tiriamas atliekant laboratorinius eksperimentus, kurie imituoja ankstyvosios Žemės aplinką ir ieško chemijos, kuri galėtų sukurti tokias pačias biomolekules ir medžiagų apykaitos reakcijas, kokias matome šiandien. Tai žinoma kaip „iš apačios į viršų“ metodas, nes jis veikia su medžiagomis, kurios kitu atveju Žemėje būtų prebiotikų.

Nors šie vadinamieji „prebiotinės chemijos“ eksperimentai sėkmingai parodė, kaip reikia gyventi gali turėti Užaugę jie negali mums pasakyti, koks iš tikrųjų yra gyvenimas vaidmuo kilti. Tuo tarpu kituose tyrimuose naudojami evoliucinės biologijos metodai, siekiant atkurti, kaip galėjo atrodyti ankstyvosios gyvybės formos, remiantis šiandieninio gyvenimo duomenimis. Tai žinoma kaip „iš viršaus į apačią“ metodas ir gali papasakoti apie gyvybės Žemėje istoriją.

Tačiau moksliniai tyrimai iš viršaus į apačią gali tik pažvelgti atgal, nes organizmuose ir šiandien buvo išlikę genų, taigi, ne iki pat gyvybės atsiradimo. Nepaisant apribojimų, tyrimais iš viršaus į apačią ir iš apačios į viršų siekiama bendro tikslo – atrasti gyvybės kilmę, o idealiu atveju jų atsakymai turėtų susilieti į bendrą terminų rinkinį.

Naujas straipsnis, paskelbtas Goldman, Lori Barge (Astrobiologijos tyrinėtojas NASAreaktyvinė jėgainė (Reaktyvinio judėjimo laboratorija)) ir kolegos, užpildyti šią metodinę spragą. Autoriai teigia, kad derinant laboratorinius tyrimus iš apačios į viršų apie tikėtinus kelius link gyvybės atsiradimo su evoliucinėmis ankstyvųjų gyvybės formų rekonstrukcijomis iš viršaus į apačią galima panaudoti siekiant išsiaiškinti, kaip gyvybė iš tikrųjų atsirado ankstyvojoje Žemėje.

Savo darbe autoriai aprašo reiškinį, pagrindinį šiandieniniam gyvenimui, kurį galima ištirti derinant tiek iš apačios į viršų, tiek iš viršaus į apačią: elektronų transportavimo grandines.

Elektronų transportavimo grandinės yra medžiagų apykaitos sistemos tipas, kurį naudoja organizmai visame gyvybės medyje, nuo bakterijų iki žmonių, kad gautų tinkamas cheminės energijos formas. Daugybė skirtingų elektronų pernešimo grandinių yra būdingos kiekvienai gyvybės formai ir jų naudojamai energijos apykaitai: pavyzdžiui, mūsų mitochondrijose yra elektronų pernešimo grandinė, susijusi su heterotrofine (maistą vartojančia) energijos apykaita; Tuo tarpu augalai turi visiškai skirtingą elektronų transportavimo grandinę Fotosintezė (Generuokite energiją iš saulės šviesos).

Ir visame mikrobų pasaulyje organizmai naudoja daugybę elektronų transportavimo grandinių, susijusių su įvairiais energijos apykaitos procesais. Tačiau, nepaisant šių skirtumų, autoriai aprašo tyrimų iš viršaus į apačią įrodymus, kad tokio tipo medžiagų apykaitos strategiją naudojo labai ankstyvos gyvybės formos, ir pateikia keletą protėvių elektronų transportavimo grandinių modelių, kuriuos galima atsekti iki labai ankstyvos evoliucijos istorijos.

Jie taip pat ištyrė dabartinius, iš apačios į viršų nukreiptus įrodymus, kad dar prieš atsirandant tokiai gyvybei, kokia ji žinoma, į elektronų transportavimo grandinę panašią chemiją galėjo palengvinti ankstyvųjų Žemės vandenynų mineralai ir vandenys. Įkvėpti šių stebėjimų, autoriai apibūdina būsimas tyrimų strategijas, kurios apjungia iš viršaus į apačią ir iš apačios į viršų tyrimus apie ankstyviausią elektronų transportavimo grandinių istoriją, kad būtų galima geriau suprasti senovės energijos apykaitą ir gyvybės kilmę plačiau.

Šis tyrimas yra penkerių metų ankstesnio šios daugiadisciplinės tarpdisciplininės komandos, vadovaujamos JPL Barge’o, darbo kulminacija, kurią finansavo NASA-NSF Idėjų laboratorija, skirta gyvybės kilmėms, siekiant ištirti, kaip ankstyvosios Žemės geologinėje aplinkoje atsirado medžiagų apykaitos sąveikos. .. Ankstesniame grupės darbe buvo nagrinėjama, pavyzdžiui, specifinė elektronų transportavimo grandinės sąveika, kurią lemia metalai (vadovauja Jessica Weber, JPL mokslininkė); kaip senovės fermentai gali turėti Prebiotinės chemijos yra įtrauktos į jų aktyviąsias vietas (vadovauja Goldman); Ir Mikrobų metabolizmas labai riboto energijos kiekio aplinkoje (Vadovavo Doug LaRue iš Pietų Kalifornijos universiteto).

„Metabolizmo atsiradimas yra daugiadisciplinis klausimas, todėl mums reikia daugiadisciplinės komandos, kuri tai ištirtų“, – sako Barge. „Mūsų darbe buvo naudojami chemijos, geologijos, biologijos ir skaičiavimo modeliavimo metodai, siekiant sujungti šiuos „iš viršaus į apačią“ ir „iš apačios į viršų“, ir toks bendradarbiavimas bus svarbus būsimiems prebiotinių medžiagų apykaitos takų tyrimams.

Nuoroda: „Elektronų transportavimo grandinės kaip langas į ankstyvuosius evoliucijos etapus“, Aaronas D. Nacionalinės mokslų akademijos darbai.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Tyrimą finansavo Nacionalinė aeronautikos ir kosmoso administracija.