PROTOBIONTS: מקור ותכונות - ביולוגיה - 2025

Protobionts הם מתחמי ביולוגי בהתאם ל כמה השערות לגבי מקור החיים, שקדמו תאים. לפי אופרין, אלה הם אגרגטים מולקולריים המוקפים בקרום שומנים-למחצה או מבנה הדומה לו.

אגרגטים מולקולריים ביוטיים אלו הצליחו להציג רבייה פשוטה ומטבוליזם שהצליחו לשמור על ההרכב הכימי של פנים הממברנה שונה מהסביבה החיצונית שלו.

מקור: pixabay.com

ניסויים מסוימים שבוצעו במעבדה על ידי חוקרים שונים חשפו כי פרוטוביונים יכולים להיווצר באופן ספונטני באמצעות תרכובות אורגניות שנוצרו ממולקולות אביוטיות כאבני בניין.

דוגמאות לניסויים אלה הם היווצרות ליפוזומים שהם צבירות של טיפות קטנות המוקפות בקרומים. אלה יכולים להיווצר כאשר מוסיפים ליפידים למים. זה קורה גם כאשר מוסיפים סוגים אחרים של מולקולות אורגניות.

זה יכול לקרות כי טיפות דמויי ליפוזום נוצרו בבריכות של תקופות פרביוטיות ואלה שילבו באופן אקראי כמה פולימרים של חומצות אמינו.

במקרה שהפולימרים ייצרו מולקולות אורגניות מסוימות חדירות לקרום, ניתן יהיה לשלב באופן סלקטיבי את המולקולות האמורות.

מאפיינים ומאפיינים

הפרוטביונטים המשוערים יכולים להיווצר ממולקולות הידרופוביות שהיו מאורגנות בצורה של דו שכבתי (שתי שכבות) על פני טיפה, מה שמזכיר את ממברנות השומנים הקיימות בתאים מודרניים.

מאת מריאנה רייז וילאריאל, LadyofHats, מתוך ויקימדיה

ממברנות חדירות למחצה

מכיוון שהמבנה חדיר באופן סלקטיבי, הליפוזום יכול להתנפח או להתפיח בהתאם לריכוז המומסים במדיום.

כלומר, אם הליפוזום נחשף למדיום היפוטוני (הריכוז בתוך התא גבוה יותר), מים נכנסים למבנה, ומתפיחים את הליפוזום. לעומת זאת, אם המדיום הוא היפרטוני (ריכוז התא נמוך יותר), המים נעים לעבר המדיום החיצוני.

מאפיין זה אינו ייחודי לליפוזומים, ניתן ליישם אותו גם על התאים האמיתיים של האורגניזם. לדוגמה, אם תאי דם אדומים נחשפים לסביבה היפוטונית, הם יכולים להתפוצץ.

רְגִישׁוּת

ליפוזומים יכולים לאגור אנרגיה בצורה של פוטנציאל קרום, שהוא מתח על פני השטח. המבנה יכול לפרוק מתח באופן שמזכיר את התהליך המתרחש בתאים עצביים של מערכת העצבים.

לליפוזומים מספר מאפיינים של אורגניזמים חיים. עם זאת, אין זה דומה לטענה כי ליפוזומים חיים.

מָקוֹר

יש מגוון רחב של השערות המבקשות להסביר את מקורן והתפתחותם של חיים בסביבה פרהביוטית. להלן הפורטולטים המצטיינים ביותר הדנים במקורם של protobionts:

השערת אופרין והאלדאן

את ההשערה בדבר אבולוציה ביוכימית הוצע על ידי אלכסנדר אופרין בשנת 1924 ועל ידי ג'ון דס האלדאן בשנת 1928.

המוצא הזה מניח כי האטמוספירה הפרה-ביוטית חסרה חמצן, אך צמצמה מאוד, עם כמויות גדולות של מימן שהובילו להיווצרותם של תרכובות אורגניות הודות לנוכחות מקורות אנרגיה.

על פי השערה זו, ככל שהתקרר האדמה, התמצאו אדים מהתפרצויות געשיות, שקעו כגשמים עזים ומתמידים. כשנפלו המים, הם נשאו מלחים מינרלים ותרכובות אחרות, והולידו את המרק הקדמון המפורסם או המרק התזונתי.

בסביבה היפותטית זו עלולים להיווצר קומפלקסים מולקולריים גדולים המכונים תרכובות פרביוטיות, מה שמוליד מערכות תאיות מורכבות יותר ויותר. אופרן כינה מבנים אלה פרוביוטיונים.

עם התגברות המורכבות של הפרוטוטיונים, הם רכשו יכולות חדשות להעברת מידע גנטי, ואופרין העניק לצורות המתקדמות הללו יותר את השם eubionts.

מילר ואורי מתנסים

בשנת 1953, לאחר המוצגים של אופרין, ביצעו החוקרים סטנלי ל. מילר והרולד סי. אורי סדרת ניסויים לאימות היווצרותם של תרכובות אורגניות החל מחומרים אורגניים פשוטים.

מילר ואורי הצליחו ליצור תכנון ניסיוני המדמה סביבות פרביוטיות עם התנאים שהציע אופרין בקנה מידה קטן, והצליחו להשיג סדרה של תרכובות כמו חומצות אמינו, חומצות שומן, חומצה פורמית, אוריאה, בין היתר.

חומר גנטי של protobionts

עולם RNA

על פי ההשערות של הביולוגים המולקולריים הנוכחיים, protobionts נשאו מולקולות RNA, במקום מולקולות DNA, מה שאיפשר להם לשכפל ולאחסן מידע.

בנוסף למלא תפקיד בסיסי בסינתזת החלבון, RNA יכול גם להתנהג כאנזים ולבצע תגובות קטליזה. בשל מאפיין זה, RNA הוא מועמד מצוין להיות החומר הגנטי הראשון בפרוביונטים.

מולקולות RNA המסוגלות לקטליזה נקראות ריבוזימים ויכולות ליצור עותקים עם רצפים משלימים של מתיחות קצרות של RNA ומתווכים את תהליך השחבור, ומבטלים את מתיחות הרצף.

פרוטוביונט שהיה בתוכו מולקולת RNA קטליטית, שונה מההומולוגים שלה שהיו חסרים מולקולה זו.

במקרה שהפרוביוטיון יכול היה לגדול, לחלק ולהעביר את ה- RNA לצאצאיו, ניתן ליישם את התהליכים של הברירה הטבעית של דארוויניאן על מערכת זו, והפרוטוטיונים עם מולקולות RNA יגדילו את תדירותם באוכלוסייה.

למרות שהופעתו של פרוביוטיון זה עשויה להיות מאוד לא סבירה, אך יש לזכור שמיליוני פרוביוטינים עשויים להתקיים בגופי המים של כדור הארץ הקדום.

הופעת DNA

ה- DNA היא מולקולה יציבה בהרבה כפולת גדולות בהשוואה למולקולת RNA, שהיא שבירה ומשוכפלת בצורה לא מדויקת. מאפיין זה של דיוק מבחינת שכפול הפך הכרחי יותר ככל שגנום של הפרוביוטינים גדל בגודלו.

באוניברסיטת פרינסטון, החוקר פרימן דייסון מציע שמולקולות DNA יכולות היו להיות מבנים קצרים, המסייעים לשכפולם על ידי פולימרים של חומצות אמינו אקראיות בעלות תכונות קטליטיות.

שכפול מוקדם זה יכול להתרחש בתוך פרוביוטים שאגרו כמויות גבוהות של מונומרים אורגניים.

לאחר הופעת מולקולת ה- DNA, RNA יכולה להתחיל למלא את תפקידיה הנוכחיים כמתווכים לתרגום, וכך ליצור את "עולם ה- DNA".

הפניות

1. אלטשטיין, לספירה (2015). השערת הפרוגן: עולם הגרעין ואיך התחילו החיים. ביולוגיה ישירה, 10, 67.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). ביולוגיה: חיים על כדור הארץ. חינוך פירסון.
3. קמפבל, AN, ו- Reece, JB (2005). ביולוגיה. העריכה של מדיקה פאנמריקנה.
4. Gama, M. (2007). ביולוגיה 1: גישה קונסטרוקטיביסטית. פירסון חינוך.
5. Schrum, JP, Zhu, TF, and Szostak, JW (2010). מקורם של חיי הסלולר. פרספקטיבות של קפיץ ספרינג הארבור בביולוגיה, a002212.
6. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). פרוטוקולים מודלים במקור החיים ובביולוגיה סינתטית. חיים, 5 (4), 1700–1702.