Hayatın Kökeninin Çözülmemiş Sırrı: Yeni Bir Strateji

Erken Dünya ortamlarını simüle eden “aşağıdan yukarıya” yöntemler ve yaşam formlarını izlemek için evrimsel biyolojiyi kullanan “yukarıdan aşağıya” yöntemler arasında bölünmüş araştırma ile yaşamın kökeni bilimsel bir gizem olmaya devam ediyor. Yakın tarihli bir disiplinler arası makale, küresel bir metabolik sistem olan elektron taşıma zincirlerini inceleyerek, yaşamın ilk metabolik stratejileri ve kökenleri hakkında fikir vererek bu metodolojiler arasında köprü kurmayı önermektedir.

Yıllarca süren ilerlemeye rağmen, yaşamın kökeni bilimin en kalıcı gizemlerinden biri olmaya devam ediyor.

“Biyolojinin en önemli özelliği, canlıların genetik bilgiyi aktardığınız hücrelerden oluşmasıdır. DNAOberlin Koleji’nde biyoloji profesörü olan Aaron Goldman, “Metabolizmalarını güçlendirmek için protein enzimlerini kullanıyorlar ve bunların hepsi çok erken bir evrimsel tarihte belirli süreçlerle ortaya çıktı” diyor. “Bu temel biyolojik sistemlerin ilk kez nasıl oluştuğunu anlamak, bize yalnızca yaşamın temel düzeyde nasıl çalıştığına dair fikir vermekle kalmayacak, aynı zamanda yaşamın gerçekte ne olduğu ve onu Dünya’nın ötesinde nasıl arayabileceğimiz konusunda da fikir verecektir.”

Yaşamın ilk olarak nasıl ortaya çıktığı sorusu, genellikle erken Dünya ortamlarını simüle eden ve bugün canlılarda gördüğümüz biyomoleküllerin ve metabolik reaksiyonların aynı türlerini yaratabilecek kimyayı araştıran laboratuvar deneyleriyle incelenir. Bu, “aşağıdan yukarıya” bir yaklaşım olarak bilinir çünkü aksi halde Dünya’da prebiyotikler için bulunacak olan malzemelerle çalışır.

Bu sözde “prebiyotik kimya” deneyleri, nasıl yaşanacağını başarıyla göstermiş olsa da sahip olabilir Büyüdükçe bize hayatın gerçekte nasıl olduğunu söyleyemezler. bir hareket kalkmak. Bu arada, diğer araştırmalar, günümüz yaşamından elde edilen verilere dayanarak erken yaşam formlarının neye benzemiş olabileceğini yeniden oluşturmak için evrimsel biyolojiden teknikler kullanıyor. Bu, “yukarıdan aşağıya” yaklaşım olarak bilinir ve bize Dünya’daki yaşamın tarihi hakkında bilgi verebilir.

Bununla birlikte, yukarıdan aşağıya araştırma, yalnızca bugün organizmalarda hala korunan genler olduğundan ve dolayısıyla yaşamın kökenine kadar olan tüm yollardan geriye bakabilir. Sınırlılıklarına rağmen, yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya araştırma, yaşamın kökenlerini keşfetme ortak hedefini hedefler ve ideal olarak, yanıtları ortak bir terimler kümesinde bir araya gelmelidir.

Goldman tarafından yayınlanan yeni bir makale, Lori Barge (Astrobiyoloji Araştırma Bilimcisi) NASAjet tahrik tesisi (Jet Tahrik Laboratuvarı)) ve meslektaşları, bu metodolojik boşluğu doldurmak için. Yazarlar, yaşamın kökenine giden makul yollar üzerine aşağıdan yukarıya laboratuvar araştırmalarını erken yaşam formlarının yukarıdan aşağıya evrimsel yeniden yapılandırmalarıyla birleştirmenin, yaşamın erken Dünya’da gerçekte nasıl ortaya çıktığını keşfetmek için kullanılabileceğini savunuyorlar.

Yazarlar makalelerinde, hem aşağıdan yukarıya hem de yukarıdan aşağıya araştırmaları birleştirerek incelenebilecek, günümüz yaşamı için temel olan bir olguyu tanımlıyorlar: elektron taşıma zincirleri.

Elektron taşıma zincirleri, bakterilerden insanlara kadar hayat ağacındaki organizmalar tarafından kullanılabilir kimyasal enerji biçimleri üretmek için kullanılan bir tür metabolik sistemdir. Pek çok farklı elektron taşıma zinciri türü, her bir yaşam biçimine ve kullandıkları enerji metabolizmasına özgüdür: örneğin, mitokondrilerimiz, heterotrofik (yiyecek tüketen) enerji metabolizmasıyla ilişkili bir elektron taşıma zinciri içerir; Oysa bitkiler kendilerine bağlı tamamen farklı bir elektron taşıma zincirine sahiptir. Fotosentez (Güneş ışığından enerji üretin).

Mikrobiyal dünyada organizmalar, çeşitli farklı enerji metabolik süreçleriyle ilişkili çok çeşitli elektron taşıma zincirleri kullanır. Ancak, bu farklılıklara rağmen, yazarlar, bu tür metabolik stratejinin yaşamın çok erken formları tarafından kullanıldığına dair yukarıdan aşağıya araştırmalardan elde edilen kanıtları açıklıyor ve çok erken evrim tarihine kadar izlenebilen ata elektron taşıma zincirleri için çeşitli modeller sağlıyor.

Ayrıca, bildiğimiz şekliyle yaşam ortaya çıkmadan önce bile, elektron taşıma zinciri benzeri kimyanın erken Dünya okyanuslarının mineralleri ve suları tarafından kolaylaştırılmış olabileceğine dair mevcut, aşağıdan yukarıya kanıtları incelediler. Bu gözlemlerden ilham alan yazarlar, eski enerji metabolizmasını ve yaşamın kökenini daha geniş bir şekilde daha iyi anlamak için elektron taşıma zincirlerinin en eski tarihi üzerine yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya araştırmaları birleştiren gelecekteki araştırma stratejilerini ana hatlarıyla belirtiyor.

Bu çalışma, erken Dünya’daki jeolojik ortamlarda metabolik etkileşimlerin nasıl ortaya çıktığını incelemek için NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life tarafından finanse edilen JPL’de Barge liderliğindeki bu multidisipliner, disiplinler arası ekibin beş yıllık önceki çalışmasının doruk noktasıdır. . . Ekibin önceki çalışması, örneğin, metaller tarafından yürütülen belirli elektron taşıma zinciri etkileşimlerine baktı (JPL’de bir araştırma bilimcisi olan Jessica Weber liderliğinde); Nasıl antik enzimler sahip olabilir Prebiyotik kimyaları aktif bölgelerine dahildir (Goldman liderliğindeki); Ve Yüksek düzeyde enerji sınırlı ortamlarda mikrobiyal metabolizma (Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden Doug LaRue liderliğinde).

Barge, “Metabolizmanın ortaya çıkışı çok disiplinli bir sorudur ve bu nedenle bunu incelemek için çok disiplinli bir ekibe ihtiyacımız var” diyor. “Çalışmamız, bu yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya yaklaşımları birleştirmek için kimya, jeoloji, biyoloji ve hesaplamalı modelleme tekniklerini kullandı ve bu tür bir işbirliği, prebiyotik metabolik yolların gelecekteki çalışmaları için önemli olacak.”

Referans: “Evrimin Erken Aşamalarına Açılan Bir Pencere Olarak Elektron Taşıma Zincirleri”, Aaron D. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Çalışma Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi tarafından finanse edildi.