Το ερώτημα για το πώς εμφανίστηκε για πρώτη φορά η ζωή στη Γη είναι ότι οι άνθρωποι αναρωτιούνται από αμνημονεύτων χρόνων. Ενώ οι επιστήμονες είναι σχετικά σίγουροι για το πότε συνέβη, δεν υπάρχει καμία οριστική απάντηση για το γιατί το έκανε. Πώς τα αμινοξέα, τα χημικά δομικά στοιχεία της ζωής, ενώθηκαν περίπου τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια πριν για να δημιουργήσουν τα πρώτα πρωτεϊνικά μόρια;
Ενώ το ερώτημα αυτό δεν έχει ακόμη απαντηθεί, οι επιστήμονες κάνουν νέες ανακαλύψεις που θα μπορούσαν να βοηθήσουν να το περιορίσουν. Για παράδειγμα, μια ομάδα ερευνητών από το Κέντρο Χημικής Εξέλιξης του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Γεωργίας (CCT) πραγματοποίησε πρόσφατα μια μελέτη που έδειξε πώς ορισμένοι από τους πρώτους προκατόχους του μορίου πρωτεΐνης μπορεί να έχουν συνδεθεί αυθόρμητα για να σχηματίσουν μια αλυσίδα.
Η μελέτη εμφανίστηκε πρόσφατα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Η μελέτη διευθύνθηκε από τον Δρ Moran Frenkel-Pinter της Georgia Tech και περιελάμβανε πολλούς ερευνητές από το CCT - το οποίο υποστηρίζεται από τη NASA και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) - με τη βοήθεια του Dr. Luke Leman, και βοηθού καθηγητή χημείας στο Scripps Research, ένα μη κερδοσκοπικό ιατρικό ερευνητικό ίδρυμα.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες είχαν θεωρίες για το πώς τα πρώτα αμινοξέα ενώθηκαν για να σχηματίσουν μόρια πρωτεΐνης. Δυστυχώς, έως τώρα απέτυχαν όλες οι προσπάθειες επαλήθευσης αυτών των θεωριών. Όπως εξήγησε ο Δρ Leman:
«Πώς η χημεία οδήγησε στην πολύπλοκη ζωή είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα που έχει σκεφτεί η ανθρωπότητα. Υπάρχουν πολλές θεωρίες σχετικά με την προέλευση των πρωτεϊνών αλλά όχι τόσο πειραματική εργαστηριακή υποστήριξη για αυτές τις ιδέες. "
Για τη μελέτη τους, η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε ένα πείραμα όπου τοποθετήθηκε μια μικρή επιλογή αμινοξέων (λυσίνη, αργινίνη και ιστιδίνη) μαζί με τρία μη βιολογικά ανταγωνιστικά αμινοξέα. Τα οξέα στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που πιστεύεται ότι υπήρχαν στη Γη κατά τη διάρκεια του Hadean Eon (περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν).
Αυτό συνίστατο στην τοποθέτηση των επιλεγμένων αμινοξέων σε νερό που περιέχει υδροξυ οξέα, τα οποία είναι γνωστό ότι διευκολύνουν τις αντιδράσεις αμινοξέων και θα ήταν κοινά στην πρεβιοτική Γη. Το μείγμα στη συνέχεια θερμάνθηκε στους 85 ° C °Γ (185 °F), που επιτάχυνε τη διαδικασία αντίδρασης και προκάλεσε την εξάτμιση του νερού. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι προκύπτουσες χημικές αντιδράσεις.
Προς έκπληξή τους, τα βιολογικά αμινοξέα σχηματίστηκαν αυθόρμητα σε τακτοποιημένα τμήματα που συνδέθηκαν μεταξύ τους μέσω ομάδων β-αμίνης. Αυτές οι ομάδες είναι αυτές που αποτελούνται από άζωτο και υδρογόνο και είναι αρκετά αντιδραστικές. Ωστόσο, είναι επίσης μέρος του πυρήνα των αμινοξέων και άλλες αμίνες που σχηματίζουν πλευρικές αλυσίδες που εκτείνονται από τον πυρήνα (που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το πείραμα) είναι συχνά πιο αντιδραστικές. Ο Frenkel-Pinter είπε:
«Μας εξέπληξε το γεγονός ότι αυτή η χημεία ευνόησε τη σύνδεση β-αμίνης που βρέθηκε στις πρωτεΐνες, παρόλο που οι χημικές αρχές μπορεί να μας οδήγησαν να πιστέψουμε ότι θα προτιμούσε τη σύνδεση χωρίς πρωτεΐνες. Η προτίμηση για την πρωτεϊνική σύνδεση έναντι των μη πρωτεϊνών ήταν περίπου επτά σε ένα. "
Μια άλλη έκπληξη ήταν το γεγονός ότι τα βιολογικά αμινοξέα ξεπέρασαν τα μη βιολογικά από την άποψη της αντιδραστικότητας. Τα τελευταία οξέα, τα οποία δεν βρίσκονται σήμερα στις πρωτεΐνες, είχαν τη δυνατότητα να αντιδράσουν χημικά εξίσου (ή καλύτερα από) τα βιολογικά. Επιπλέον, η ομάδα ανέμενε ότι η συμπερίληψη αυτών των οξέων θα έδινε στα βιολογικά οξέα τα λεφτά τους και θα μπορούσε ακόμη και να οδηγήσει
Ωστόσο, οι αντιδράσεις είχαν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό πεπτιδίων (δύο ή περισσότερα δομικά στοιχεία αμινοξέων που συνδέονται μεταξύ τους) που ήταν πιο κοντά στις σημερινές πραγματικές πρωτεΐνες. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές πίστευαν ότι τα μη βιολογικά αμινοξέα θα αντισταθμίζουν το βιολογικό αμινοξύ γνωστό ως λυσίνη και ότι η λυσίνη δεν θα μπορεί να σχηματίζει αξιόπιστες αλυσίδες.
Και στις δύο περιπτώσεις, έκαναν λάθος και αντίθετα διαπίστωσαν ότι η λυσίνη πήγε κυρίως στις αλυσίδες με τρόπο που είναι παρόμοιο με αυτό που συμβαίνει με τις πρωτεΐνες σήμερα. Από αυτό, η ομάδα υπέθεσε ότι οι προκατασκευασμένες αλυσίδες αμινοξέων που είναι χρήσιμες στα ζωντανά συστήματα εξελίχθηκαν προτού η ζωή βρει έναν τρόπο παραγωγής πρωτεϊνών.
Το γεγονός ότι το πείραμά τους έδειξε ότι τα βιολογικά αμινοξέα προτιμώνται από τα μη βιολογικά μπορεί επίσης να προσφέρει νέα εικόνα για το γιατί μόλις 20 αμινοξέα πήγαν στο σχηματισμό της ζωής. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι υπήρχαν πάνω από 500 φυσικά οξέα που υπάρχουν στη Γη κατά τη διάρκεια του Hadean Eon. Όπως εξηγούν οι Loren Williams, καθηγητής βιοχημείας στη Georgia Tech
«Η ιδέα μας είναι ότι η ζωή ξεκίνησε με τα πολλά δομικά στοιχεία που υπήρχαν εκεί και επέλεξε ένα υποσύνολο αυτών, αλλά δεν ξέρουμε πόσο επιλέχθηκε με βάση την καθαρή χημεία ή πόσες βιολογικές διεργασίες έκανε η επιλογή. Κοιτάζοντας αυτή τη μελέτη, φαίνεται ότι η σημερινή βιολογία μπορεί να αντικατοπτρίζει αυτές τις πρώιμες πρεβιοτικές χημικές αντιδράσεις περισσότερο από ό, τι νομίζαμε. "
«Στην πρεβιοτική Γη, θα υπήρχε ένα πολύ μεγαλύτερο σύνολο αμινοξέων. Υπάρχει κάτι ιδιαίτερο για αυτά τα 20 αμινοξέα, ή αυτά μόλις καταψύχθηκαν μια στιγμή με την εξέλιξη; " Εν ολίγοις, το πείραμα υποδηλώνει ότι τα είδη των αμινοξέων που χρησιμοποιούνται στις πρωτεΐνες είναι πιο πιθανό να συνδεθούν μεταξύ τους επειδή αντιδρούν μαζί πιο αποτελεσματικά και έχουν λίγες ανεπαρκείς παρενέργειες.
Εν ολίγοις, το πείραμα υποδηλώνει ότι τα είδη των αμινοξέων που χρησιμοποιούνται στις πρωτεΐνες είναι πιο πιθανό να συνδεθούν μεταξύ τους επειδή αντιδρούν μαζί πιο αποτελεσματικά και έχουν λίγες ανεπαρκείς παρενέργειες. Δίνει επίσης επιπλέον αξιοπιστία στη θεωρία ότι τα περισσότερα βιολογικά πολυμερή σχηματίζονται σε υγρούς και ξηρούς κύκλους, κάτι που οι ερευνητές του CCT έχουν
Αυτή η θεωρία, η οποία δηλώνει ότι οι πρώτες πρωτεΐνες εμφανίστηκαν σε βρώμικες βροχές ή στον ηλιόλουστο βράχο της λίμνης, έρχεται σε αντίθεση με την πιο συμβατική αφήγηση ότι τα δομικά στοιχεία της ζωής βασίζονται σε σπάνια και κατακλυσμικά γεγονότα, καθώς και σε πολλά συστατικά για να εμφανιστεί. Δείχνοντας ότι ήταν πιθανότατα μια πολύ πιο απλή διαδικασία, αυτή η έρευνα θα μπορούσε να μας φέρει ένα βήμα πιο κοντά στο ξεκλείδωμα αυτού του παλιού μυστηρίου.
Θα μπορούσε επίσης να έχει επιπτώσεις στην αναζήτηση ζωής πέρα από τη Γη. Εάν τα δομικά στοιχεία της ζωής είναι φυσικά αντιδραστικά και προσελκύονται μεταξύ τους, τότε πιθανότατα αυξάνει τις πιθανότητες ότι παρόμοιες χημικές αντιδράσεις έλαβαν χώρα αλλού στο Σύμπαν!
