Ένα κομμάτι που λείπει από το χρονοδιάγραμμα της εξέλιξης της Γης μπορεί να έχει βρεθεί. Χρησιμοποιώντας μοντέλα υπολογιστών, μια ομάδα ερευνητών εξέτασε πώς ο υπολογισμός προς τα πίσω από τη σύγχρονη βιοχημεία θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποκάλυψη πόσο απλές, μη ζωντανές χημικές ουσίες εμφανίστηκαν νωρίς Γη οδήγησε στη δημιουργία πολύπλοκων μορίων που οδήγησαν στην εμφάνιση της ζωής όπως τη γνωρίζουμε.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο σύγχρονος μεταβολισμός – οι βιοχημικές διεργασίες που συντηρούν τη ζωή που συμβαίνουν στα έμβια όντα – εξελίχθηκε από το πρωτόγονο γεωχημικό περιβάλλον της πρώιμης Γης, αντλώντας από διαθέσιμα υλικά και πηγές ενέργειας. Αν και αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα ιδέα, μέχρι στιγμής λείπουν στοιχεία για τη μετάβαση από την πρωτόγονη γεωχημεία στη σύγχρονη βιοχημεία.
Ενώ προηγούμενες μελέτες μοντελοποίησης έδωσαν πολύτιμες γνώσεις, πάντα αντιμετώπιζαν ένα πρόβλημα: τα μοντέλα μεταβολικής τους εξέλιξης απέτυχαν σταθερά να αναπαράγουν πολλά από τα πολύπλοκα μόρια που χρησιμοποιεί η σύγχρονη ζωή – και ο λόγος για αυτό είναι ασαφής.
Σχετίζεται με: Οι αρχαίοι βράχοι περιέχουν στοιχεία για το μαγνητικό πεδίο της Γης. Γι’ αυτό είναι μπερδεμένο
Ειδικότερα, υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με τη συνέχεια αυτού του μεταβολικού χρονοδιαγράμματος, ιδιαίτερα σε ποιο βαθμό οι αρχαίες βιοχημικές διεργασίες που μπορεί να έχουν εξαφανιστεί με την πάροδο του χρόνου χρόνος διαμόρφωσε τις μεταβολικές διεργασίες που γνωρίζουμε σήμερα.
«Συγκεκριμένα, χημικές αντιδράσεις που δεν σχετίζονται με τη βιοχημεία έχουν αναφερθεί ως ελλείποντα βήματα σε πρώιμα βιοσυνθετικά μονοπάτια, υποδηλώνοντας ότι τα αρχεία αυτών των χημικών μετασχηματισμών έχουν χαθεί σε όλη την εξελικτική ιστορία», έγραψε η ομάδα μελέτης από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο και από το Ινστιτούτο Καλιφόρνια. Τεχνολογίας σε άρθρο που περιγράφει τον νέο κρίκο που λείπει. «Παραμένει ασαφές σε ποιο βαθμό είναι απαραίτητη η «εξαφανισμένη» βιοχημεία για να καταστεί δυνατή η εμφάνιση του σύγχρονου μεταβολισμού από τα πρώιμα γήινα περιβάλλοντα».
Ένα μεταβολικό μυστήριο
Για να λύσουν αυτό το μυστήριο, οι επιστήμονες προσπάθησαν να μοντελοποιήσουν πιθανά εξελικτικά μονοπάτια που θα μπορούσαν να έχουν φέρει τον σύγχρονο μεταβολισμό από τους πρώτους προκατόχους του στη Γη μέχρι σήμερα. Εξέτασαν λοιπόν τη βιοχημική εξέλιξη σε επίπεδο βιόσφαιρας, δηλαδή σε επίπεδο ολόκληρου οικοσυστήματος, ενσωματώνοντας επιρροές και παράγοντες όπως το γεωχημικό και ατμοσφαιρικό περιβάλλον και τον τρόπο με τον οποίο οι οργανισμοί μπορεί να αλληλεπιδράσουν.
«Έχει από καιρό πιστεύεται ότι οι ρίζες της βιοχημείας βρίσκονται στη γεωχημεία της πρώιμης Γης», λέει ο Seán Jordan, αναπληρωτής καθηγητής βιογεωχημείας και Αστροβιολογία από το Πανεπιστήμιο του Δουβλίνου, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, είπε στο Space.com: «Η ιδέα ότι τα υπολείμματα αρχαίων μεταβολικών οδών μπορεί να είναι κρυμμένα και να μην έχουν ανακαλυφθεί προηγουμένως στη σύγχρονη βιόσφαιρα είναι συναρπαστική και συναρπαστική».
Η ομάδα χρησιμοποίησε τη βάση δεδομένων του Κιότο Εγκυκλοπαίδεια Γονιδίων και Γονιδιωμάτων, η οποία καταγράφει λίγο περισσότερες από 12.000 βιοχημικές αντιδράσεις, ως αποθήκη για όλες τις πιθανές βιοχημικές αντιδράσεις που θα μπορούσαν να έχουν συμβεί και εξελιχθεί κατά τη διάρκεια του χρονικού πλαισίου που μελετήθηκε. Στη συνέχεια, οι ερευνητές προσομοίωσαν την ανάπτυξη ενός δικτύου χημικών αντιδράσεων από μια σειρά αρχικών ενώσεων που θα μπορούσαν να είχαν βρεθεί στην πρώιμη Γη. Αυτά περιελάμβαναν διάφορα μέταλλα και ανόργανα μόρια όπως σίδηρο, υδρόθειο, διοξείδιο του άνθρακα και αμμωνία, καθώς και οργανικά υποστρώματα που μπορεί να είχαν σχηματιστεί από αρχαίες αντιδράσεις στερέωσης άνθρακα.
«Η χρήση ενός αλγόριθμου επέκτασης δικτύου για την ανίχνευση μιας διαδρομής από την πρώιμη γεωχημεία σε πολύπλοκα μεταβολικά δίκτυα φαίνεται να είναι μια σταθερή, επαναληπτική προσέγγιση σε αυτό το ερώτημα», είπε ο Τζόρνταν.
Ωστόσο, όπως και με άλλα πειράματα μοντέλων, το μοντέλο των ερευνητών αρχικά απέτυχε να αναπαράγει ούτε ένα κλάσμα των μορίων που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες βιοχημικές διεργασίες, πράγμα που σημαίνει ότι η συντριπτική πλειοψηφία δεν ήταν προσβάσιμη από τις ενώσεις των σπόρων. Υποθέτοντας ότι αυτά τα αποτελέσματα ήταν περιορισμένα επειδή το σύνολο δεδομένων περιείχε μόνο γνωστές καταγεγραμμένες βιοχημικές αντιδράσεις, οι ερευνητές επέκτειναν τη βάση δεδομένων του Κιότο για να συμπεριλάβει ένα σύνολο υποθετικών βιοχημικών αντιδράσεων, προσθέτοντας 20.183 νέες οδούς.
Η επανάληψη του πειράματος με αυτό το διευρυμένο σύνολο αντιδράσεων οδήγησε σε μια ελαφρά μόνο αύξηση του πεδίου, “υποδηλώνοντας ότι ούτε η επί του παρόντος καταλογοποιημένη ούτε η προβλεπόμενη βιοχημεία περιέχει τους μετασχηματισμούς που απαιτούνται για να επιτευχθεί η συντριπτική πλειονότητα των γνωστών μεταβολιτών.”
Οι συγγραφείς παρατήρησαν ότι ένας σημαντικός πρόδρομος μιας κατηγορίας ενώσεων που ονομάζονται πουρίνες, οι οποίες είναι σημαντικά δομικά στοιχεία για βιολογικά μόρια όπως το DNA και το RNA, δεν βρέθηκε στο εκτεταμένο πεδίο εφαρμογής του μοντέλου. Στην πραγματικότητα, ένα γρήγορο τεστ που προσέθεσε αδενίνη, ένα κοινό παράγωγο πουρίνης, στη δεξαμενή των ενώσεων των σπόρων οδήγησε σε αύξηση περίπου 50 τοις εκατό στον αριθμό των σύγχρονων βιομορίων που το μοντέλο μπορούσε να προβλέψει.
Περαιτέρω πειράματα επιβεβαίωσαν αυτό που οι συγγραφείς ονόμασαν «συμφόρηση πουρινών», το οποίο φαίνεται να αποτρέπει την εμφάνιση μεταβολισμού από γεωχημικές πρόδρομες ουσίες στο μοντέλο. Το πρόβλημα φάνηκε να σχετίζεται με το σύνολο δεδομένων των σύγχρονων βιοχημικών αντιδράσεων στις οποίες η παραγωγή πουρινών όπως η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) είναι αυτοκαταλυτική. Αυτό σημαίνει ότι πολλά βήματα στη συνθετική οδό ATP απαιτούν το ίδιο το ATP – χωρίς ATP, δεν μπορεί να δημιουργηθεί νέο ATP. Αυτός ο αυτοκύκλος έκανε το μοντέλο να σταματήσει.
Για να αντιμετωπίσουν το σημείο συμφόρησης, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι αυτή η αυτοκαταλυτική εξάρτηση μπορεί να ήταν πιο «χαλαρή» σε πρωτόγονες μεταβολικές οδούς, επειδή ο ρόλος που διαδραματίζει σήμερα το ATP θα μπορούσε να είχε αναληφθεί από ανόργανα μόρια που ονομάζονται πολυφωσφορικά. Αντικαθιστώντας το ATP στις αντιδράσεις της βάσης δεδομένων (μόνο οκτώ συνολικά απαιτούσαν αυτήν την αλλαγή), σχεδόν όλος ο σημερινός μεταβολισμός του πυρήνα θα μπορούσε να αποκατασταθεί.
Παρόμοιες αναρτήσεις:
— Τα συντρίμμια από τους δορυφόρους που καίγονται θα μπορούσαν να επηρεάσουν το μαγνητικό πεδίο της Γης
— Η NASA τερματίζει την αποστολή παρατήρησης της Γης CloudSat μετά από 18 χρόνια
— 365 ημέρες δορυφορικών εικόνων Δείχνουν τις μεταβαλλόμενες εποχές της Γης από το Διάστημα (Βίντεο)
«Μπορεί ποτέ να μην μάθουμε με βεβαιότητα, αλλά η έρευνά μας έδωσε σημαντικά στοιχεία: Μόνο οκτώ νέες αντιδράσεις, όλες που θυμίζουν κοινές βιοχημικές αντιδράσεις, χρειάζονται για να γεφυρωθεί η γεωχημεία και η βιοχημεία», δήλωσε ο Χάρισον Σμιθ, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. ένας δελτίο τύπου. «Αν και αυτό δεν αποδεικνύει ότι η περιοχή της ελλιπούς βιοχημικής γνώσης είναι μικρή, δείχνει ότι ακόμη και εξαφανισμένες αντιδράσεις μπορούν να ανακαλυφθούν εκ νέου χρησιμοποιώντας ενδείξεις που αφήνει η σύγχρονη βιοχημεία».
«Το μεγάλο ερώτημα που παραμένει αναπάντητο είναι αν μπορούμε να δείξουμε πειραματικά ότι τα βήματα από τη γεωχημεία στη βιοχημεία είναι πιθανά σε μια τέτοια τροχιά [this]”Αυτά τα ευρήματα θα πρέπει να ενθαρρύνουν άλλους στο πεδίο να εξερευνήσουν περαιτέρω αυτή τη μετάβαση. Μας δείχνουν ότι το σχέδιο της χημείας που οδήγησε στην εμφάνιση της ζωής μπορεί να βρεθεί στην υπάρχουσα βιοχημεία».
Η μελέτη ήταν δημοσιεύθηκε τον Μάρτιο στο περιοδικό Nature Ecology & Evolution.