PREBIOTICKÁ EVOLUCE: KDE SE TO STALO A CO JE NUTNÉ - BIOLOGIE - 2025

Termín prebiotická evoluce odkazuje na řadu hypotetických scénářů, které se snaží vysvětlit původ života počínaje neživou hmotou v prostředí za primitivních podmínek.

Bylo navrženo, že podmínky primitivní atmosféry se silně snižovaly, což podporovalo tvorbu organických molekul, jako jsou aminokyseliny a peptidy, které jsou stavebními bloky proteinů; a puriny a pyrimidiny, které tvoří nukleové kyseliny - DNA a RNA.

Zdroj: pixabay.com

Primitivní podmínky

Představte si, jak první formy života, které se objevily na Zemi, může být náročnou - a dokonce téměř nemožnou - otázkou, pokud se nepostavíme do správného primitivního prostředí.

Klíčem k pochopení života abiotických molekul suspendovaných ve slavné „primitivní polévce“ je tedy atmosféra v tomto odlehlém prostředí.

I když neexistuje žádná celková shoda, pokud jde o chemické složení atmosféry, protože neexistuje žádný způsob, jak úplně potvrzení hypotézy se pohybují od snížení kompozice (CH ₄ + N ₂, NH ₃ + H ₂ O nebo CO ₂ + H ₂ + N ₂) do neutrálnějších prostředí (pouze s CO ₂ + N ₂ + H ₂ O).

Obecně se uznává, že atmosféra postrádala kyslík (tento prvek s příchodem života výrazně zvýšil svou koncentraci). Pro účinnou syntézu aminokyselin, purinů, pyrimidinů a cukrů je nutná přítomnost redukčního prostředí.

Pokud skutečná atmosféra v té době neměla tyto prebiotické chemické podmínky, musely organické sloučeniny pocházet z prachových částic nebo jiných kosmických těles, jako jsou meteority.

Kde došlo k prebiotickému vývoji?

Ve vztahu k fyzickému prostoru na Zemi existuje několik hypotéz, které umožnily vývoj prvních biomolekul a replikátorů.

Teorie, která získala významné pokračování v počáteční tvorbě biomolekul v hydrotermálních průduchech v oceánu. Jiní autoři ji však považují za nepravděpodobnou a diskreditují tyto regiony jako důležitá činidla v prebiotické syntéze.

Teorie navrhuje, že k chemické syntéze došlo průchodem vody v termálním gradientu od 350 ° C do 2 ° C.

Problém s touto hypotézou vyvstává, protože organické sloučeniny se místo syntézy rozkládají při vysokých teplotách (350 ° C), což naznačuje méně extrémní prostředí. Hypotéza tedy ztratila podporu.

Co je potřeba pro prebiotický vývoj?

K provedení studie související s prebiotickým vývojem je nutné odpovědět na řadu otázek, které nám umožní pochopit vznik života.

Musíme si položit otázku, jaký typ katalytického procesu upřednostňoval původ života a odkud byla odebrána energie, která upřednostňovala první reakce. Při zodpovězení těchto otázek můžeme jít dále a zeptat se, zda se jako první molekuly objevily membrány, replikátory nebo metabolity.

Nyní odpovíme na každou z těchto otázek, abychom pochopili možný původ života v prebiotickém prostředí.

Katalyzátory

Život, jak ho známe dnes, vyžaduje, aby se vyvinula řada „mírných podmínek“. Víme, že většina organických bytostí existuje tam, kde jsou teplota, vlhkost a pH fyziologicky přijatelné - s výjimkou Extremofilních organismů, které, jak naznačuje jejich název, žijí v extrémních prostředích.

Jednou z nejdůležitějších vlastností živých systémů je všudypřítomnost katalyzátorů. Chemické reakce živých bytostí jsou katalyzovány enzymy: komplexní molekuly proteinové povahy, které zvyšují rychlost reakcí o několik řádů.

První živé bytosti musely mít podobný systém, pravděpodobně ribozymy. V literatuře je otevřená otázka, zda by prebiotický vývoj mohl nastat bez katalýzy.

Podle důkazů by v případě neexistence katalyzátoru byla biologická evoluce velmi nepravděpodobná - protože by reakce vyžadovaly mimořádné časové intervaly. Proto je jejich existence postulována v raných fázích života.

Energie

Energie na prebiotickou syntézu se musela někde objevit. Navrhuje se, aby určité anorganické molekuly, jako jsou polyfosforečnany a thioestery, mohly hrát důležitou roli při produkci energie pro reakce - v době před existencí známé energetické „měny“ buněk: ATP.

Energeticky je replikace molekul, které nesou genetickou informaci, velmi nákladná. Pro průměrného bakterie, jako je E. coli, jedna událost replikace vyžaduje 1,7 * 10 ¹⁰ ATP molekul.

Díky existenci této mimořádně vysoké postavy je přítomnost zdroje energie nepopiratelnou podmínkou pro vytvoření pravděpodobného scénáře, z něhož vznikl život.

K abiotické syntéze mohla také přispět existence reakcí typu „redox“. Postupem času se tento systém mohl stát důležitými prvky přenosu elektronů v buňce, spojenými s produkcí energie.

Která z buněčných složek vznikla jako první?

V buňce jsou tři základní komponenty: membrána, která ohraničuje buněčný prostor a mění jej na diskrétní jednotku; replikátory, které ukládají informace; a metabolické reakce, které se vyskytují v tomto systému. Funkční integrace těchto tří složek vede ke vzniku buňky.

Ve světle vývoje je proto zajímavé položit otázku, která z těchto tří vznikla jako první.

Syntéza membrán se zdá být jednoduchá, protože lipidy spontánně vytvářejí vezikulární struktury se schopností růst a dělit se. Vezikula umožňuje skladování replikátorů a udržuje metabolity koncentrované.

Nyní se debata zaměřuje na vedení replikace versus metabolismus. Ti, kteří dávají replikaci větší váhu, tvrdí, že ribozymy (RNA s katalytickou silou) se dokázaly replikovat samy a díky výskytu mutací by mohl vzniknout nový metabolický systém.

Opačný pohled zdůrazňuje význam generace jednoduchých molekul - jako jsou organické kyseliny přítomné v cyklu trikarboxylové kyseliny - pro spalování za mírných zdrojů tepla. Z tohoto hlediska první kroky prebiotického vývoje zahrnovaly tyto metabolity.

Reference

1. Anderson, PW (1983). Navrhovaný model prebiotické evoluce: použití chaosu. Sborník Národní akademie věd, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Víceúrovňový výběr v modelech prebiotické evoluce: kompartmenty a prostorová samoorganizace. Původy života a evoluce biosféry, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Původ a časný vývoj života: prebiotická chemie, svět před RNA a čas. Cell, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Od prebiotik k probiotikům: Vývoj a funkce modifikací tRNA. Život, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA a Fontanari, JF (2008). Modely balíčků a informační krize prebiotického vývoje. Journal of teoretická biologie, 252 (2), 326-337.
6. Wong, JTF (2009). Prebiotická evoluce a astrobiologie. CRC Stiskněte.