Deenatyczno- erenatyczne zamieszanie w Hadeiku.

Struktura cząsteczki tRNA.[1]

Prezentuje tutaj mój pierwszy 'poważniejszy' tekst jaki w życiu napisałem. Nie zmieniałem w nim formy, stylistyki i interpunkcji, ponieważ chciałem, żeby pozostał taki, jak go kiedyś napisałem. Wiem, że miejscami może ciężko będzie zrozumieć o co mi chodzi, ale dla tych co na bieżąco czytają moje artykuły, może być to też fajny przykład mojego (mam nadzieje, że to prawda) postępu w pisaniu. Mam nadzieje, że obecne teksty są znacznie lepiej przeze mnie pisane ;)


Życie. Jedno słowo sprawiające wiele kłopotów niejednemu człowiekowi próbującemu je zdefiniować. Dla jednych to dążenie do doskonałości. Dla innych to kawałek mniej lub bardziej wykorzystanego czasu, a dla jeszcze innych szereg milionów najróżniejszych reakcji chemicznych. Tak samo jak trudno zdefiniować samo pojęcie „życia”, tak samo trudno jest powiedzieć kiedy, jak, gdzie i po co ono powstało.

Przenieśmy się jakieś 4,6 miliarda lat wstecz. Układ Słoneczny jest częścią galaktyki spiralnej zwanej Drogą mleczną. Składa się ona z wielu miliardów gwiazd. Słońce wraz z całym Układem Słonecznym powstało około 4,6 mld lat temu z obłoku materii protogwiazdowej. Prawdopodobnie pod wpływem wybuchu supernowej doszło do rozpoczęcia procesu zagęszczania się tej materii. Powstał wirujący dysk. Z jego centralnej części uformowało się Protosłońce, wokół którego wytworzyły się pierścienie materii protoplanetarnej. W pierścieniach położonych blisko Protosłońca, w wysokiej temperaturze gromadziły się głównie pierwiastki ciężkie, a w dalej położonych pierścieniach pierwiastki lekkie. Tłumaczy to różną budowę planet wewnętrznych i zewnętrznych Układu Słonecznego. W następnym etapie pyły unoszące się w pierścieniach zaczęły się ze sobą łączyć w coraz większe bryły (planetezymale), a połączenie planetezymali doprowadziło do powstania planet wewnętrznych (w tym Ziemi) oraz jąder planet zewnętrznych. W kolejnym etapie tworzenia się Układu Słonecznego zwiększona aktywność Słońca (które pod wpływem zapadania się grawitacyjnego zwiększyło swoją temperaturę do około 10 mln K) doprowadziła do wymiecenia reszty gazów pozostałych z pierwotnego obłoku. Część z tych gazów została przechwycona
przez jądra planet zewnętrznych - tworząc ich gazową otoczkę.

W początkowej fazie istnienia Ziemia, podobnie jak inne planety, przeszła fazę "wielkiego bombardowania" - liczne pozostałości dysku protoplanetarnego (niektóre o rozmiarach rzędu setek kilometrów) zderzały się z Ziemią. Powodowało to zwiększanie masy Ziemi, a ogromna energia kinetyczna ulegała przemianie w ciepło. Nasza planeta zaczęła się dosłownie topić od zewnątrz, aż wreszcie przekształciła się w żarzącą się kulę stopionej materii. Gdy Ziemia była w stanie płynnym, oddzieliły się różne minerały: cięższe pierwiastki ( np. żelazo i nikiel) spłynęły do środka, gdzie utworzyły jądro Ziemi. Lżejsze minerały (np. krzemiany i tlenki) utworzyły warstwy zewnętrzne: płaszcz i skorupę ziemską. Po zakończeniu okresu "wielkiego bombardowania" Ziemia zaczęła powoli stygnąć - powstała stała skorupa ziemska.

Jak się domyślamy, bez większych doświadczeń i potwierdzeń owe "życie" nie mogło istnieć w okresie nie wcześniejszym niż okres w którym uformowała się w miarę stabilna i trwała skorupa ziemska, z tej prostej przyczyny, że na owej Ziemi warunki jakie panowały były tak ekstremalne, że żaden znany nam organizm od najbardziej trwałych wirusów po niesporczaki, nie byłby w stanie wytrzymać. Okres "niemożności życia" nazywa się Hadeik. W czasie jego trwania Ziemia jest względnie ukształtowaną kulą gorących płynów i gazów, na której powierzchni ciągle wybuchają wulkany, a atmosfera nie zawiera ani jednej cząsteczki wolnego tlenu. W ciągu sekundy w jej powierzchnie uderza nieskończenie wiele piorunów i co chwile w różnych jej częściach odbywają się trzęsienia zastygającej skorupy.

Sytuacja zmieniła się, gdy promień Ziemi osiągnął około 40% swojej dzisiejszej długości, a grawitacja ciała pozwoliła na zatrzymanie w jej pobliżu atmosfery zawierającej wodę. Temperatura Ziemi gwałtownie spadła, ukształtowała się też stała skorupa ziemska. Sytuacja w której woda mogła zostać zatrzymana przy powierzchni była swojego rodzaju swoistą "aromorfozą" w ewolucji planety. Dzięki temu zdarzeniu możliwe stało się w późniejszych okresach tworzenie większości związków organicznych i nieorganicznych, które tworzył się właśnie w wodzie (dopiero w tedy kiedy woda z atmosfery powoli skraplała się tworząc oceany i morza), ponieważ miały tam w miarę stabilne środowisko do przeprowadzania między sobą różnych reakcji chemicznych i gromadzenia się koło siebie. I tu pojawia się pytanie: jak powstały związki będące składowymi dzisiejszych "cząsteczek życia" takich jak aminokwasy, kwasy nukleinowe, cukry, związki z wiązaniami wysokoenergetycznymi i wiele innych?

Do lat 50. środowiska naukowe były przekonania, że do powstania złożonych cząstek organicznych potrzebne są wyrafinowane syntezy i warunki. Lecz po przeprowadzeniu przez Stanley'a Miler'A i Harold'a Urey'a w latach 50. serii doświadczeń, okazało się, że w pierwotnej atmosferze bogatej w metan, amoniak, dwutlenek węgla, tlenek węgla, wodór i parę wodną, na skutek wyładowań atmosferycznych, wybuchów wulkanów i wysokiej temperatury mogły tworzyć się aminokwasy, cukry, zasady azotowe i inne proste związki organiczne. Jak się później okazało w taki sposób mogły powstać wszystkie aminokwasy, a nawet pierwsze krótkie łańcuchy aminokwasowe. Ponieważ w atmosferze nie było tlenu, związki organiczne miały szansę powstawania i gromadzenia się. Owe gromadzące się związki osiadały na rozgrzanych skałach gdzie dochodziło do ich kumulacji i polimeryzacji. Jak dowiedziono w doświadczeniach rozgrzane skały bogate w żelazo, nikiel i miedź mogą katalizować niektóre reakcje polimeryzacji.

Na skutek gromadzenia się na całej powierzchni Ziemi najróżniejszych związków, które rywalizowały ze sobą dochodziło do molekularnej ewolucji. Konsekwencją tego było wyeliminowania cząstek "nieprzystosowanych" i pozostawienie cząstek "przystosowanych" do istnienia w tamtych warunkach.

I oto w historii Ziemi nadszedł pamiętny moment w którym kilka zbuntowanych cząstek postanowiło na zawsze zmienić oblicze i losy Ziemi i gdzieś w praoceanie, przepełnionym różnymi cząsteczkami, powstała pierwsza cząsteczka RNA. Ale zaraz, dlaczego właśnie RNA? Przecież obok RNA w dzisiejszych organizmach występuje jeszcze DNA. Co skłoniło dawne cząsteczki do stworzenia struktury mniej trwałej i niezdolnej do kodowania zbyt wielkiej ilości informacji genetycznej?

Wielu naukowców twierdzi, że RNA powstało pierwsze tworząc "świat RNA" dlatego, że miało zdolności katalityczne. Ich przeciwnicy, w tym także ja odpowiadamy na to, że owszem, RNA ma zdolności katalityczne, ale są one zbyt małe, by cząsteczki w czasie mogły się wydajnie replikować, różnicować i prowadzić jeszcze bardziej skomplikowane reakcje. Nie zaprzeczam, ze cząsteczki te replikowały się i katalizowały reakcje chemiczne, ale co do zdolności katalitycznych w tej walce wygrywają białka złożone z aminokwasów. Nawet jeśli owe cząstki RNA były w stanie prowadzi jako takie replikację, to musiały one zawiera bardzo dużo błędów, ponieważ na wczesnych etapach początku życia nie istniały jeszcze żadne systemy naprawiające i sprawdzające replikację.

Innym ważnym argumentem obalającym "świat RNA" jest niestabilność RNA, w przeciwieństwie do stabilności DNA. W tamtych zamierzchłych czasach, warunki środowiskowe były tak trudne i ciężkie, że cząsteczki mało stabilne miały bardzo utrudnione zadanie do samego istnienia, nie mówiąc już o jakiś większych postępach ewolucyjnych. Do tego potrzeba było czegoś znacznie trwałego i stabilnego. Ponadto cząsteczka DNA jest w stanie pomieścić znacznie większą ilość informacji genetycznej którą jest w stanie jako tako sama ochraniać, co było w owych czasach bardzo ważne. Przede wszystkim ochrona materiału genetycznego, a w momentach „spokoju” jak najszybsze jego powielanie i produkcja na ilość a nie na jakość.

Niestety pojawia się problem potwierdzający tezę "świata RNA". Otóż w przeciwieństwie do RNA cząsteczki DNA bez pomocy innych bardzo złożonych mechanizmów z zewnątrz nie są w stanie się same replikować . Ponadto na ich budowę potrzeba znacznie więcej składowych, których znalezienie w praoceanie nie było prostym zadaniem dla czegoś wielkości kilkudziesięciu atomów.

Ważną kwestią, dotyczącą która z cząsteczek dominowała na Ziemi jest nie tyle zdolność do replikacji ale też jej szybkość . W tej konkurencji niepowtarzalnie wygrywa cząsteczka RNA, co daje jej niesamowitą przewagę nad DNA, która potrzebuje więcej czasu na takie działania.

Innym ważnym problemem jest ustalenie czy w tamtych czasach cząsteczki RNA rzeczywiście były takie za jakie je uważamy i obserwujemy dzisiaj. Otóż nie. Ryboza budująca nici RNA wcale nie zajmowała swojego miejsca od początku. Prawdopodobnie to miejsce zajmował inny znacznie prostszy w budowie cukier, a ryboza wepchała się na jego miejsce kilkanaście milionów lat później kiedy ciągle zmieniające się warunki na Ziemi zmusiły cząsteczki do takich aromorfoz.

Może i naukowcy będący zwolennikami „Świata RNA” i ich przeciwnicy są w błędzie i odpowiedzi co tak naprawdę było pierwsze trzeba szukać w trzeciej beczce wypełnionej białkami. Jakby nie patrzeć DNA nie może powstawać bez udziału maszynerii białkowej, tak samo białko nie może powstać bez zapisu informacji genetycznej w DNA. Z drugiej strony by z informacji genetycznej zapisanej w DNA powstało białko potrzeba pośrednika, którego miejsce zajęło RNA. Więc w takim razie co tutaj tak naprawdę jest istotne? Informacja zapisana w DNA, wszechobecne aminokwasy tworzące białka czy pośrednik RNA?

Otóż odpowiedź w mojej opinii odpowiedź jest prostsza niż się wydaję. „Świat RNA” ma solidne podstawy do akceptowania, ale mało prawdopodobne jest by mógł on normalnie funkcjonować. Tak samo „Świat DNA” czy „Świat Białek” traci na wartości bo te związki (no może oprócz białek które w końcu same ze sobą też by długo nie podziałały) nie mogą bez siebie funkcjonować. Bardziej poprawną nazwą mogła by być nazwa „Świat trzech składowych”, ponieważ moim zdaniem każdy z tych trzech składników mógł powstać mniej więcej w tym samym czasie, a przynajmniej bardzo blisko siebie i na skutek zmian ewolucyjnych, związki te zgrały się ze sobą tworząc dzisiejszą potężna i nie do końca zbadaną, mistyczną maszynerię utrzymującą świat żywy przy życiu.

Zachęcam do odwiedzenia strony antykwariatu www.wieszcz.pl na której będziecie mogli znaleźć wiele różnych książek o tematyce pochodzenia życia na Ziemi.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

[1]- ilustracja pochodzi ze strony: http://www.bioinformatyk.eu/index.php/bioinformatyka/jak-z-sekwencji-aminokwasow-zrobic-model-3d-troche-o-modelowaniu-homologicznym.html