ظهور زندگی از هرج و مرج – آیا تکامل داروین قبل از خود زندگی آغاز شد؟

چگونه مولکولهای زنجیره بلند تشکیل می شوند. اعتبار: © LMU
فیزیکدانان LMU نشان می دهند که ویژگی های اساسی مولکول های پلیمری ، مانند ترکیب زیر واحد آنها ، برای تحریک فرآیندهای انتخاب در یک محیط قابل قبول پری بیوتیک کافی است.
قبل از ظهور حیات در زمین ، بسیاری از فرایندهای فیزیکوشیمیایی در سیاره ما بسیار آشفته بودند. انبوهی از ترکیبات کوچک و پلیمرهایی با طول های مختلف ، از زیر واحد ها تشکیل شده است (مانند بازهای موجود در DNA و RNA ) ، در هر ترکیب قابل تصور وجود داشت. فرآیندهای شیمیایی مانند زندگی می تواند ظهور کند ، سطح هرج و مرج در این سیستم ها باید کاهش یابد. در یک مطالعه جدید ، فیزیکدانان LMU به رهبری دیتر براون نشان می دهد که ویژگی های اساسی پلیمرهای ساده ، همراه با جنبه های خاصی از محیط پری بیوتیک ، می تواند به فرایندهای انتخابی که بی نظمی را کاهش می دهند برسید.
در انتشارات قبلی ، گروه تحقیقاتی براون کشف کرد که چگونه نظم فضایی در محفظه های باریک و پر از آب درون سنگ های آتشفشانی متخلخل در کف دریا ایجاد شده است. این مطالعات نشان داد که ، در صورت وجود اختلاف دما و پدیده ای همرفت که به عنوان اثر سورت شناخته می شود ، رشته های RNA می توانند به صورت وابسته به طول و به صورت محلی با چندین مرتبه اندازه جمع شوند. براون می گوید: “مسئله این است كه توالی پایه مولكول های طولانی تری كه فرد به دست می آورد كاملاً آشفته است.”

ریبوزیم های تکامل یافته (آنزیم های مبتنی بر RNA) دارای توالی پایه بسیار خاصی هستند که مولکول ها را قادر می سازد تا به شکل های خاصی جمع شوند ، در حالی که اکثریت قریب به اتفاق الیگومرهای تشکیل شده در زمین اولیه احتمالاً توالی تصادفی دارند. پاتریک کودلا ، اولین نویسنده گزارش جدید ، می گوید: “تعداد کل توالی های پایه ممکن است ، که به عنوان” فضای توالی “شناخته می شود ، بسیار باورنکردنی است. “این باعث می شود که جمع آوری ساختارهای پیچیده مشخصه ریبوزیم های عملکردی یا مولکول های قابل مقایسه با یک فرآیند کاملا تصادفی غیرممکن باشد.” این باعث شد که تیم LMU شک کنند که گسترش مولکولها برای تشکیل “الیگومرهای” بزرگتر در معرض نوعی مکانیسم پیش انتخاب است.
سیستم مدل برای اولیگومرهای اولیه h4>
از آنجا که در زمان پیدایش زندگی تنها چند فرآیند فیزیکی و شیمیایی بسیار ساده در مقایسه با مکانیسم های تکثیر پیشرفته سلول ها وجود داشت ، انتخاب توالی ها باید بر اساس محیط و خواص الیگومرها باشد. اینجاست که تحقیقات گروه Braun انجام می شود. برای عملکرد کاتالیزوری و پایداری الیگومرها ، مهم است که آنها مانند ساختار مارپیچ شناخته شده DNA رشته های دوتایی ایجاد کنند. این ویژگی اولیه بسیاری از پلیمرها است و مجتمع هایی را با قطعات دو رشته و تک رشته امکان پذیر می کند. قطعات تک رشته ای را می توان با دو فرایند بازسازی کرد. ابتدا با اصطلاح پلیمریزاسیون ، که در آن رشته ها توسط تک پایه ها تکمیل می شوند و رشته های کامل دوتایی را تشکیل می دهند. مورد دیگر توسط چیزی است که به عنوان بستن شناخته می شود. در این فرایند ، الیگومرهای طولانی تر به هم متصل می شوند. در اینجا ، هر دو بخش دو رشته ای و تک رشته ای تشکیل می شود که رشد بیشتر اولیگومر را امکان پذیر می کند.
“براون می گوید:” آزمایش ما با تعداد زیادی رشته کوتاه DNA آغاز می شود و در سیستم مدل ما برای اولیگومرهای اولیه فقط از دو پایه مکمل آدنین و تیمین استفاده می کنیم. ” “ما فرض می کنیم که بستن رشته ها با توالی تصادفی منجر به تشکیل رشته های طولانی تر می شود که توالی پایه آنها هرج و مرج کمتری دارد.” سپس گروه براون با استفاده از روشی که در تجزیه و تحلیل ژنوم انسان نیز استفاده می شود ، مخلوط توالی تولید شده در این آزمایشات را تجزیه و تحلیل کردند. این آزمایش تایید کرد که آنتروپی توالی ، یعنی درجه اختلال یا تصادفی در توالی های بازیابی شده ، در واقع در این آزمایشات کاهش یافته است.
ظهور زندگی از هرج و مرج h4>
محققان همچنین قادر به شناسایی علل این دستور “تولید خود” بودند. آنها دریافتند که اکثر توالی های بدست آمده به دو گروه تقسیم می شوند – با ترکیبات پایه 70٪ آدنین و 30٪ تیمین یا بالعکس. براون توضیح می دهد: “با نسبت قابل توجهی بزرگتر از یكی از دو پایه ، این رشته نمی تواند روی خود جمع شود و به عنوان یك شریک واكنش برای بستن باقی می ماند”. بنابراین ، به سختی رشته هایی با نیمی از هر دو پایه در واکنش ایجاد می شوند. براون می گوید: “ما همچنین می بینیم كه چگونه تحریفات كوچك در استخر DNA كوتاه الگوهای برجسته وابسته به موقعیت را به خصوص در رشته های طولانی محصول برجای می گذارد.” نتیجه محققان را متعجب کرد ، زیرا رشته ای که فقط دارای دو پایه مختلف با نسبت پایه خاص است ، راههای محدودی برای تمایز از یکدیگر دارد. آنالنا سالدیت ، یکی از نویسندگان این تحقیق ، می گوید: “فقط الگوریتم های خاص می توانند چنین جزئیات شگفت انگیزی را تشخیص دهند.”
آزمایشات نشان می دهد که ساده ترین و اساسی ترین خصوصیات الیگومرها و محیط آنها می تواند زمینه را برای فرآیندهای انتخابی فراهم کند. حتی در یک سیستم مدل ساده ، مکانیسم های مختلف انتخابی می توانند بازی کنند ، که در رشد رشته در مقیاس های مختلف تأثیر دارند و نتایج ترکیبات مختلفی از عوامل هستند. به گفته براون ، این مکانیزم های انتخاب پیش شرط تشکیل مجتمع های فعال از نظر تجزیه مانند ریبوزیم ها بودند و بنابراین نقش مهمی در ظهور زندگی از هرج و مرج داشتند.
مرجع: “توالی های ساختاری از استخر تصادفی هنگام تکثیر با بستن تمپلنت بوجود می آیند” توسط پاتریک د. کودلا ، الکسی وی. تاکاچنکو ، آنالنا سالدیت ، سرگئی ماسلوف و دیتر براون ، 16 فوریه 2021 ، مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم . DOI: 10.1073 / pnas.2018830118