Η Δαρβίνεια εξέλιξη άρχισε πριν από την ανάδυση της ίδιας της ζωής;

Πριν αναδυθεί η ζωή στη Γη, πολλές φυσικοχημικές διεργασίες στον πλανήτη μας ήταν πολύ χαοτικές. Μια πληθώρα μικρών ενώσεων, και πολυμερών ποικίλων μηκών, που αποτελούνται από υπομονάδες (όπως οι βάσεις που βρίσκονται σε DNA και RNA), ήταν παρούσες σε κάθε πιθανό συνδυασμό. Πριν μπορέσουν να αναδυθούν χημικές διεργασίες όμοιες με τη ζωή, το επίπεδο του χάους σε αυτά τα συστήματα πρέπει να μειώθηκε. Σε μια νέα μελέτη, φυσικοί του LMU (Ludwig-Maximilians-Universität) υπό την ηγεσία του Dieter Braun δείχνουν ότι βασικά χαρακτηριστικά απλών πολυμερών, μαζί με ορισμένες μορφές του προβιοτικού περιβάλλοντος, μπορεί να προκάλεσαν την επιλογή διεργασιών που μειώνουν την αταξία.

Σε προηγούμενες δημοσιεύσεις, η ερευνητική ομάδα του Braun εξερεύνησε πώς η χωρική τάξη θα μπορούσε να έχει αναπτυχθεί σε στενούς, γεμάτους νερό θαλάμους μέσα σε πορώδη ηφαιστειακά πετρώματα στο βάθος της θάλασσας. Οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι, με την παρουσία θερμοκρασιακών διαφορών και ένα θερμαγωγό φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο Soret, σειρές RNA θα μπορούσαν τοπικά να συσσωρευθούν σε διάφορες τάξεις μεγέθους κατά ένα τρόπο που εξαρτάται από το μήκος. «Το πρόβλημα είναι ότι οι αλληλουχίες των βάσεων των μεγαλύτερων μορίων που αποκτά κάποιος είναι τελείως χαοτικές», αναφέρει ο Braun.

Τα ριβόζυμα που εξελίσσονται (ένζυμα με βάση RNA) έχουν μια πολύ συγκεκριμένη αλληλουχία βάσεων που επιτρέπει τα μόρια να διπλώνονται σε ιδιαίτερα σχήματα, ενώ η τεράστια πλειονότητα των ολιγομερών που διαμορφώθηκε στην πρώιμη Γη πιθανότατα είχε τυχαίες αλληλουχίες. «Ο ολικός αριθμός των πιθανών αλληλουχιών βάσεων, γνωστός ως “χώρος αλληλουχίας”, είναι απίστευτα μεγάλος», αναφέρει ο Patrick Kudella, πρώτος συγγραφέας της νέας μελέτης. «Αυτό καθιστά πρακτικά αδύνατη τη συναρμολόγηση των πολύπλοκων χαρακτηριστικών δομών των λειτουργικών ριβοζυμών ή παρόμοιων μορίων με μια καθαρά τυχαία διεργασία». Αυτό οδήγησε την ομάδα του LMU να υποψιαστεί ότι η επέκταση των μορίων για να διαμορφώσουν μεγαλύτερα «ολιγομερή» ήταν θέμα κάποιου είδους μηχανισμού προεπιλογής.

Μοντέλο συστήματος για πρώιμα ολιγομερή

Καθώς τον καιρό της Προέλευσης της Ζωής υπήρχαν μόνο λίγες, πολύ απλές φυσικές και χημικές διεργασίες σε σύγκριση με τους εκλεπτυσμένους μηχανισμούς αναπαραγωγής των κυττάρων, η επιλογή των αλληλουχιών πρέπει να βασίζονταν στο περιβάλλον και στις ιδιότητες των ολιγομερών. Εδώ είναι που εισέρχεται η έρευνα της ομάδας του Braun. Για την καταλυτική λειτουργία και τη σταθερότητα των ολιγομερών, είναι σημαντικό ότι διαμορφώνουν διπλές σειρές όπως η καλά πλέον γνωστή ελικοειδής δομή του DNA. Αυτή είναι μια στοιχειώδης ιδιότητα πολλών πολυμερών και επιτρέπει συμπλέγματα τμημάτων, τόσο με διπλές όσο και με μονές σειρές. Τα μονής σειράς μπορούν να αναδομηθούν με δυο διεργασίες. Η πρώτη, με τον αποκαλούμενο πολυμερισμό, στον οποίον οι σειρές συμπληρώνονται από μονές βάσεις για να διαμορφώσουν διπλές σειρές. Η άλλη διεργασία είναι με αυτό που είναι γνωστό ως απολίνωση. Σε αυτή τη διεργασία, τα μακρύτερα ολιγομερή ενώνονται μαζί. Εδώ, διαμορφώνονται και τα διπλής σειράς και τα μονής σειράς τμήματα, που επιτρέπει την περαιτέρω ανάπτυξη των ολιγομερών.

«Το πείραμά μας ξεκινά με ένα μεγάλο αριθμό από κοντές σειρές DNA και στο μοντέλο μας για πρώιμα ολιγομερή χρησιμοποιούμε μόνο δυο συμπληρωματικές βάσεις, τη αδενίνη και τη θυμίνη», λέει ο Braun. «Υποθέτουμε ότι η απολίνωση των σειρών με τυχαίες αλληλουχίες οδηγεί στο σχηματισμό μακρύτερων σειρών, των οποίων η αλληλουχία των βάσεων είναι λιγότερο χαοτική». Η ομάδα του Braun στη συνέχεια ανέλυσε τα μείγματα αλληλουχιών που παρήχθησαν σε αυτά τα πειράματα χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε επίσης στην ανάλυση του ανθρώπινου γονιδιώματος. Ο έλεγχος επιβεβαίωσε ότι η εντροπία της αλληλουχίας, δηλαδή ο βαθμός αταξίας ή τυχαιότητας μέσα στις αλληλουχίες που ανακτήθηκαν, ήταν στην πραγματικότητα μειωμένος σε αυτά τα πειράματα.

Ανάδυση της ζωής από το χάος

Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να αναγνωρίσουν τις αιτίες αυτής της «αυτο-παραγόμενης» τάξης. Βρήκαν ότι η πλειονότητα των αλληλουχιών που αποκτήθηκαν χωρίστηκε σε δυο τάξεις – με συνθέσεις βάσεων είτε 70% αδενίνη και 30% θυμίνη, ή το αντίστροφο. «Με μια σημαντικά μεγαλύτερη αναλογία της μιας από τις δυο βάσεις, η σειρά δεν διπλώνει στον εαυτό της και παραμένει ως ένας εταίρος αντιδράσης για την απολίνωση», εξηγεί ο Braun. Έτσι, σχεδόν καμία σειρά με το μισό της κάθε μίας από τις βάσεις δεν διαμορφώθηκε στην αντίδραση. «Βλέπουμε επίσης πως μικρές παραμορφώσεις στη σύνθεση της δεξαμενής κοντού DNA αφήνουν διακριτά πρότυπα το μοτίβο των οποίων εξαρτάται από τη θέση, ειδικά σε μεγάλου μήκους παραγόμενες σειρές», αναφέρει ο Braun. Το αποτέλεσμα εξέπληξε τους ερευνητές, επειδή σε μια σειρά προϊόντων, των μόλις δυο διαφορετικών – με μια ιδιαίτερη αναλογία – βάσεων, υπάρχουν περιορισμένοι τρόποι για να διαφοροποιείται το ένα προϊόν από το άλλο. «Μόνο ειδικοί αλγόριθμοι μπορούν να ανιχνεύσουν τέτοιες εκπληκτικές λεπτομέρειες», λέει η Annalena Salditt, μια από τη συγγραφική ομάδα της μελέτης.

Τα πειράματα δείχνουν ότι, τα απλούστερα και πιο βασικά χαρακτηριστικά των ολιγομερών και το περιβάλλον τους μπορούν να παράσχουν την βάση για διεργασίες επιλογής. Ακόμη και σε ένα απλοποιημένο σύστημα-μοντέλο, μπορούν να εμφανιστούν ποικίλοι μηχανισμοί επιλογής, οι οποίοι έχουν επίδραση στην ανάπτυξη της σειράς σε διαφορετικές κλίμακες μήκους και είναι αποτελέσματα των διαφορετικών συνδυασμών των παραγόντων. Σύμφωνα με τον Braun, αυτοί οι μηχανισμοί επιλογής ήταν ένα προ-απαιτούμενο για τη διαμόρφωση καταλυτικά ενεργών συμπλεγμάτων όπως τα ριβόζυμα και επομένως έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην ανάδυση της ζωής από το χάος.