‘Several questions about origin of life have been answered, but much remains to be studied’’ said Stanley Miller and Harold Urey way back in 1959 after reporting laboratory synthesis of amino acids in primitive earth conditions. Many advances down the line yet the scientists have long been grappling with a fundamental question – which genetic material was first to be formed on the primitive earth, ה-DNA or רנ"א, or a bit of both? There is evidence now to suggest that ה-DNA ו רנ"א both may have co-existed in the primordial soup from where the life forms may have evolved with respective genetic materials.
הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית קובעת זאת ה-DNA עושה רנ"א עושה חלבונים. חלבונים are responsible for majority, if not all the reactions taking place in an organism. The entire functionality of an organism is majorly dependent upon their presence and interaction of חלבון molecules. According to central dogma, חלבונים are produced by the information contained in ה-DNA which is converted to functional חלבון via a messenger called RNA. However, it is possible that חלבונים themselves can survive independently without any ה-DNA or רנ"א, as is the case with prions (misfolded חלבון molecules that do not contain ה-DNA or רנ"א), but can survive on their own.
לפיכך, יכולים להיות שלושה תרחישים למקור החיים.
A) If the חלבונים or its building blocks were able to form abiotically during the atmosphere that existed billions of years ago in primordial soup, חלבונים can be termed as the basis of מקור החיים. העדויות הניסיוניות לטובתה מגיעות מהניסוי המפורסם של סטנלי מילר1, 2, שהראה שכאשר מערבבים יחד תערובת של מתאן, אמוניה, מים ומימן ומסתובבים על פני פריקה חשמלית, נוצרת תערובת של חומצות אמינו. זה אושר שוב שבע שנים מאוחר יותר3 in 1959 by Stanley Miller and Harold Urey stating that the presence of reducing atmosphere in primordial earth gave rise to synthesis of אורגני compounds in the presence of above-mentioned gases plus smaller amounts of carbon monoxide and carbon dioxide. The relevance of Miller-Urey experiments was questioned by the scientific fraternity for a number of years, who thought that the gas mixture used in their research was too reducing with respect to the conditions that existed on primordial Earth. A number of theories pointed towards a neutral atmosphere containing an excess of CO2 with N2 and water vapor4. עם זאת, אטמוספרה ניטרלית זוהתה גם כסביבה סבירה לסינתזה של חומצות אמינו5. בנוסף, עבור חלבונים to act as origins of life, they need to self-replicating leading to a combination of different חלבונים to cater to different reactions taking place in an organism.
ב) אם המרק הקדמון סיפק תנאים לאבני בניין של ה-DNA ו / או רנ"א to be formed, then either of these could have been the genetic material. The research until now favoured רנ"א to be the genetic material for the origin of life forms due to their capability of folding upon itself, existing as a single strand and acting as an enzyme6, capable of making more רנ"א molecules. A number of self-replicating RNA enzymes7 have been discovered over the years suggesting רנ"א to be the starting genetic material. This was further strengthened by the research performed by John Sutherland’s group that led to the formation of two bases of RNA in an environment similar to primordial soup by including phosphate in the mixture8. היווצרות של אבני בניין RNA הוכחה גם על ידי הדמיית אטמוספרה מפחיתה (המכילה אמוניה, פחמן חד חמצני ומים), בדומה לזו ששימשה בניסוי של מילר-אורי ולאחר מכן העברת פריקות חשמליות ולייזרים בעלי הספק גבוה דרכם.9. If RNA is to be believed to be the originator, then when and how did ה-DNA and proteins come into being? Did ה-DNA develop as a genetic material later because of the unstable nature of RNA and proteins followed suit. Answers to all these questions still remain unanswered.
ג) התרחיש השלישי לפיו DNA ו-RNA יכולים להתקיים יחד במרק הקדמון שהוביל למקור החיים הגיע ממחקרים שפורסמו ב-3rd June 2020 by John Sutherland’s group from the MRC Laboratory at Cambridge, UK. The researchers simulated the conditions that existed on a primordial Earth billions of years ago, with shallow ponds in the lab. They first dissolved chemicals that form רנ"א in water, followed by drying and heating them and then subjecting them to UV radiation that simulated sun’s rays existing in primordial time. This not only led to the synthesis of the two building blocks of רנ"א אלא גם של ה-DNA, suggesting that both nucleic acids co-existed at the time of origin of life10.
בהתבסס על הידע העכשווי הקיים היום ומכבד את הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית, נראה סביר שה-DNA וה-RNA התקיימו יחד שהובילו למקור החיים וליצירת חלבון הגיעו/התרחשו מאוחר יותר.
עם זאת, המחבר רוצה לשער תרחיש נוסף שבו כל שלושת המקרומולקולות הביולוגיות החשובות, דהיינו. DNA, RNA וחלבון התקיימו יחד במרק הקדמון. התנאים המבולגנים שהיו קיימים במרק הקדמוני, הכוללים את הטבע הכימי של פני כדור הארץ, התפרצויות געשיות ונוכחות של גזים כמו אמוניה, מתאן, פחמן חד חמצני, פחמן דו חמצני יחד עם מים, אולי היו אידיאליים עבור כל המקרומולקולות להיווצרות. רמז לכך ניתן על ידי מחקר שנעשה על ידי Ferus וחב', שבו נוצרו נוקלאובסים באותה אטמוספירה מפחיתה9 השתמשו בניסוי של מילר-אורי. אם נאמין בהשערה זו, אז במהלך האבולוציה, אורגניזמים שונים אימצו חומר גנטי כזה או אחר, שהעדיפו את קיומם קדימה.
עם זאת, כאשר אנו מנסים להבין את מקורן של צורות חיים, נדרש מחקר נוסף כדי לענות על השאלות הבסיסיות והרלוונטיות לגבי האופן שבו החיים נוצרו והתפשטו. זה ידרוש גישה "מחוץ לקופסה" מבלי להסתמך על דעות קדומות כלשהן שהוצגו בחשיבה שלנו על ידי הדוגמות הנוכחיות שאחריהן במדע.
***
הפניות:
1. Miller S., 1953. ייצור חומצות אמינו בתנאי אדמה פרימיטיביים אפשריים. מַדָע. 15 במאי 1953: כרך. 117, גיליון 3046, עמ' 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Prebiotic Soup–Revisiting the Miller Experiment. מדע 02 במאי 2003: כרך. 300, גיליון 5620, עמ' 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL and Urey HC, 1959. סינתזת תרכובות אורגניות על כדור הארץ הפרימיטיבי. מדע 31 ביולי 1959: כרך. 130, גיליון 3370, עמ' 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. קאסטינג JF, הווארד MT. 2006. הרכב האטמוספרי והאקלים בכדור הארץ המוקדם. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). פורסם: 07 בספטמבר 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. הערכה מחודשת של סינתזה אורגנית פרה-ביוטית באטמוספרות פלנטריות ניטרליות. Orig Life Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. The intervening sequence רנ"א of Tetrahymena is an enzyme. Science 31 Jan 1986: Vol. 231, Issue 4737, pp. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme. מדע 08 באפריל: כרך. 332, גיליון 6026, עמ' 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. סינתזה של ריבונוקלאוטידים פירמידין פעילים בתנאים פרה-ביוטיים סבירים. טבע 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. היווצרות נוקלאובסים באווירה מצמצמת של Miller-Urey. PNAS 25 באפריל, 2017 114 (17) 4306-4311; פורסם לראשונה ב-10 באפריל, 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., Green, N. et al. 2020 Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and ה-DNA purine nucleosides. Nature 582, 60–66 (2020). Published: 03 June 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
