אבולוציה פרוביוטית: איפה זה קרה ומה נחוץ - ביולוגיה - 2025

המונח אבולוציה פרביוטית מתייחס לסדרת התרחישים ההיפותטיים המבקשים להסביר את מקור החיים החל מחומר שאינו חי בסביבה בתנאים פרימיטיביים.

הוצע כי התנאים של האטמוספירה הפרימיטיבית הצטמצמו מאוד, מה שהעדיף היווצרות מולקולות אורגניות, כמו חומצות אמינו ופפטידים, המהווים אבני הבניין של חלבונים; ופורינים ופירימידינים, המרכיבים חומצות גרעין - DNA ו- RNA.

מקור: pixabay.com

תנאים פרימיטיביים

לדמיין כיצד צורות החיים הראשונות שהופיעו על פני כדור הארץ יכולות להיות שאלה מאתגרת - ואפילו כמעט בלתי אפשרית - אם אנו לא מציבים את עצמנו בסביבה הפרימיטיבית הנכונה.

לפיכך, המפתח להבנת החיים ממולקולות אביוטיות המותלות ב"מרק הפרימיטיבי "המפורסם הוא האווירה בסביבה המרוחקת ההיא.

אמנם אין הסכמה מוחלטת ביחס להרכב הכימי של האטמוספרה, מכיוון שאין דרך לאשש אותה לחלוטין, ההשערות נעות בין צמצום קומפוזיציות (CH ₄ + N ₂ , NH ₃ + H ₂ O או CO ₂ + H ₂ + N ₂ ) לסביבות ניטרליות יותר (עם CO ₂ + N ₂ + H ₂ O בלבד).

מקובל כי האווירה חסרה חמצן (אלמנט זה הגדיל את ריכוזו משמעותית עם בוא החיים). לצורך סינתזה יעילה של חומצות אמינו, פורינים, פירימידינים וסוכרים, נדרשת נוכחות של סביבה מצמצמת.

אם לאטמוספירה בפועל באותה תקופה לא היו תנאים כימיים פרה-ביוטיים אלה, התרכובות האורגניות היו צריכות להגיע מחלקיקי אבק או מגופי חלל אחרים כמו מטאוריטים.

היכן התרחשה אבולוציה פרביוטית?

ישנן מספר השערות ביחס למרחב הפיזי בכדור הארץ שאיפשר התפתחות של ביומולקולות ומשכפלים ראשונים.

תיאוריה שצברה מעקב משמעותי בהיווצרותם הראשונית של ביו-מולקולות ב פתחי הידרותרמיות באוקיאנוס. עם זאת, מחברים אחרים מוצאים את זה לא סביר ומערערים אזורים אלה כסוכנים חשובים בסינתזה הפרביוטית.

התיאוריה מציעה כי סינתזה כימית התרחשה דרך מעבר מים בטווח שיפוע של 350-2 מעלות צלזיוס.

הבעיה בהשערה זו מתעוררת מכיוון שתרכובות אורגניות מתפרקות בטמפרטורות גבוהות (350 מעלות צלזיוס) במקום לסנתז, מה שמרמז על סביבות פחות קיצוניות. אז ההשערה איבדה תמיכה.

מה נדרש להתפתחות פרביוטית?

כדי לבצע מחקר הקשור להתפתחות פרה-ביוטית, יש לענות על סדרת שאלות המאפשרות להבין את הופעת החיים.

עלינו לשאול את עצמנו איזה סוג של תהליך קטליטי העדיף את מקור החיים והיכן נלקחה האנרגיה שהעדיפה את התגובות הראשונות. בתשובה לשאלות אלו אנו יכולים להמשיך ולשאול האם המולקולות הראשונות שהופיעו היו ממברנות, משכפלים או מטבוליטים.

כעת נענה על כל אחת מהשאלות הללו בכדי להשיג הבנה של מקור אפשרי של חיים בסביבה פרביוטית.

זרזים

החיים, כפי שאנו מכירים אותם כיום, דורשים סדרה של "תנאים מתונים" להתפתחות. אנו יודעים שרוב היצורים האורגניים מתקיימים במקום בו הטמפרטורה, הלחות וה- pH הם מקובלים מבחינה פיזיולוגית - למעט האורגניזמים הקיצוניים, שכפי ששמם מרמז, חיים בסביבות קיצוניות.

אחד המאפיינים הרלוונטיים ביותר של מערכות חי הוא מקום הימצאותם של זרזים. התגובות הכימיות של יצורים חיים מנותזות על ידי אנזימים: מולקולות מורכבות בעלות אופי חלבון המגבירות את מהירות התגובות בכמה סדרי גודל.

לישויות החיים הראשונות כנראה הייתה מערכת דומה, ככל הנראה ריבוזימים. בספרות, ישנה שאלה פתוחה אם יכול היה להתפתח אבולוציה פרביוטית ללא קטליזה.

על פי העדויות, בהיעדר התפתחות ביולוגית של זרז היה סביר ביותר - מכיוון שהתגובות היו צריכות להתרחש פרקי זמן מונומנטליים. לכן קיומם מוצב בשלבים המוקדמים של החיים.

אֵנֶרְגִיָה

האנרגיה לסינתזה הפרביוטית הייתה צריכה להופיע ממקום כלשהו. מוצע כי מולקולות אורגניות מסוימות, כמו פוליפוספטים ותיאוסטרים, עשויים למלא תפקיד חשוב בייצור אנרגיה לתגובות - בזמנים לפני קיומו של "מטבע" האנרגיה המפורסם של התאים: ATP.

באופן אנרגטי, שכפול המולקולות הנושאות את המידע הגנטי הוא אירוע יקר מאוד. עבור חיידק ממוצע, כמו E. coli, אירוע שכפול בודד דורש 1.7 * 10 ¹⁰ מולקולות ATP.

בזכות קיומה של דמות גבוהה במיוחד זו, נוכחותו של מקור אנרגיה היא תנאי שאי אפשר לערער עליו ליצירת תרחיש סביר, שמקורו בחיים.

באופן דומה, קיומם של תגובות מסוג "redox" יכול היה לתרום לסינתזה של אביו. עם הזמן מערכת זו עשויה להפוך ליסודות חשובים בהובלת אלקטרונים בתא, הקשורים לייצור אנרגיה.

מי מהמרכיבים הסלולריים שמקורם הראשון?

ישנם שלושה רכיבים בסיסיים בתא: קרום, התוחם את שטח התא והופך אותו ליחידה דיסקרטית; משכפלים, המאחסנים מידע; ותגובות מטבוליות המתרחשות במערכת זו. השילוב הפונקציונלי של שלושת המרכיבים הללו מוליד תא.

לכן, לאור האבולוציה, מעניין לשאול את השאלה מי מבין השלושה קם תחילה.

נראה כי סינתזת הממברנות היא פשוטה, מכיוון שליפידים באופן ספונטני יוצרים מבנים שלפוחיים עם היכולת לצמוח ולהתחלק. השלפוחית ​​מאפשרת אחסון של משכפלים ושומרת על המטבוליטים מרוכזים.

כעת, הוויכוח מתמקד בהובלת שכפול לעומת מטבוליזם. אלה שנותנים משקל רב יותר לשכפול, טוענים כי ריבוזימים (RNA עם כוח קטליטי) הצליחו לשכפל את עצמם, ובזכות הופעת המוטציות עלולה להיווצר מערכת מטבולית חדשה.

ההשקפה ההפוכה מדגישה את החשיבות של יצירת מולקולות פשוטות - כמו החומצות האורגניות הקיימות במחזור החומצה הטריקארבוקסילית - לבעירה תחת מקורות חום מתונים. מנקודת מבט זו, הצעדים הראשונים להתפתחות פרה-ביוטית כללו מטבוליטים אלה.

הפניות

1. אנדרסון, PW (1983). מודל מוצע להתפתחות פרביוטית: שימוש בכאוס. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 80 (11), 3386-3390.
2. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). בחירה רב-שכבתית במודלים של התפתחות פרביוטית: תאים וארגון עצמי מרחבי. מקורות החיים והתפתחות הביוספרה, 33 (4-5), 375-403.
3. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). מקור החיים והתפתחותם המוקדמת: כימיה פרביוטית, עולם קדם ה- RNA והזמן. תא, 85 (6), 793-798.
4. McKenney, K., and Alfonzo, J. (2016). מפריביוטיקה לפרוביוטיקה: ההתפתחות והתפקודים של שינויים ב- tRNA. החיים, 6 (1), 13.
5. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). מודלים של חבילות ומשבר המידע של האבולוציה הפרביוטית. כתב העת לביולוגיה תיאורטית, 252 (2), 326-337.
6. וונג, JTF (2009). אבולוציה פרוביוטית ואסטרוביולוגיה. לחץ על CRC.