"מספר שאלות לגבי מקור החיים נענו, אבל עוד נותר לחקור הרבה דברים", אמרו סטנלי מילר והרולד אורי כבר ב-1959 לאחר שדיווחו על סינתזה מעבדתית של חומצות אמינו בתנאי אדמה פרימיטיביים. התקדמות רבות בהמשך הקו, אך המדענים מתמודדים זה מכבר עם שאלה מהותית - איזה חומר גנטי נוצר לראשונה על פני כדור הארץ הפרימיטיבי, ה-DNA or רנ"א, או קצת משניהם? כעת יש ראיות המצביעות על כך ה-DNA ו רנ"א ייתכן ששניהם התקיימו במקביל במרק הקדמוני שממנו התפתחו צורות החיים עם חומרים גנטיים בהתאמה.
הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית קובעת זאת ה-DNA עושה רנ"א עושה חלבונים. חלבונים אחראים לרוב, אם לא לכל התגובות המתרחשות באורגניזם. כל הפונקציונליות של אורגניזם תלויה בעיקר בנוכחותם ובאינטראקציה שלו חלבון מולקולות. לפי הדוגמה המרכזית, חלבונים מופקים על ידי המידע הכלול ב ה-DNA אשר מומר לפונקציונלי חלבון באמצעות שליח הנקרא RNA. עם זאת, ייתכן ש חלבונים עצמם יכולים לשרוד באופן עצמאי ללא כל ה-DNA or רנ"א, כפי שקורה עם פריונים (מקופל לא נכון חלבון מולקולות שאינן מכילות ה-DNA or רנ"א), אבל יכולים לשרוד בכוחות עצמם.
לפיכך, יכולים להיות שלושה תרחישים למקור החיים.
א) אם ה חלבונים או אבני הבניין שלו היו מסוגלות להיווצר באופן אביוטי במהלך האטמוספירה שהתקיימה לפני מיליארדי שנים במרק קדמון, חלבונים ניתן להתייחס כבסיס ל 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 בשנת 1959 על ידי סטנלי מילר והרולד אורי, שקבעו כי הנוכחות של אטמוספירה מפחיתה בכדור הארץ הקדמון הובילה לסינתזה של אורגני תרכובות בנוכחות גזים שהוזכרו לעיל בתוספת כמויות קטנות יותר של פחמן חד חמצני ופחמן דו חמצני. הרלוונטיות של ניסויי מילר-אורי הוטלה בספק על ידי האחווה המדעית במשך מספר שנים, שחשבו שתערובת הגז המשמשת במחקרם מפחיתה מדי ביחס לתנאים שהתקיימו על כדור הארץ הקדמון. מספר תיאוריות הצביעו על אטמוספירה ניטרלית המכילה עודף של CO2 עם N2 ואדי מים4. עם זאת, אטמוספרה ניטרלית זוהתה גם כסביבה סבירה לסינתזה של חומצות אמינו5. בנוסף, עבור חלבונים כדי לפעול כמקורות חיים, הם צריכים לשכפל עצמי המוביל לשילוב של שונים חלבונים לתת מענה לתגובות שונות המתרחשות באורגניזם.
ב) אם המרק הקדמון סיפק תנאים לאבני בניין של ה-DNA ו / או רנ"א להיווצר, אז כל אחד מאלה יכול היה להיות החומר הגנטי. המחקר עד עכשיו העדיף רנ"א להיות החומר הגנטי למקורן של צורות חיים בשל יכולתן להתקפל על עצמה, הקיימות כגדיל בודד ופועלות כאנזים6, מסוגל להפיק יותר רנ"א מולקולות. מספר אנזימי RNA המשכפלים את עצמם7 התגלו במהלך השנים מה שמרמז רנ"א להיות החומר הגנטי ההתחלתי. זה התחזק עוד יותר על ידי המחקר שביצעה קבוצתו של ג'ון סאתרלנד שהוביל להיווצרות של שני בסיסים של RNA בסביבה דומה למרק קדמון על ידי הכללת פוספט בתערובת8. 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. אם יש להאמין ש-RNA הוא המקור, אז מתי ואיך ה-DNA וחלבונים נוצרים? עשה ה-DNA להתפתח כחומר גנטי מאוחר יותר בגלל האופי הלא יציב של RNA וחלבונים בעקבותיו. התשובות לכל השאלות הללו עדיין נותרו ללא מענה.
ג) התרחיש השלישי לפיו DNA ו-RNA יכולים להתקיים יחד במרק הקדמון שהוביל למקור החיים הגיע ממחקרים שפורסמו ב-3rd יוני 2020 על ידי קבוצתו של ג'ון סאתרלנד ממעבדת MRC בקיימברידג', בריטניה. החוקרים דימו את התנאים שהתקיימו על כדור הארץ הקדמון לפני מיליארדי שנים, עם בריכות רדודות במעבדה. הם המיסו תחילה כימיקלים שנוצרים רנ"א במים, ולאחר מכן ייבושם וחימוםם ולאחר מכן הכפפתם לקרינת UV המדמה את קרני השמש הקיימות בזמן הקדמוני. זה לא רק הוביל לסינתזה של שני אבני הבניין של רנ"א אלא גם של ה-DNA, מה שמצביע על כך ששתי חומצות הגרעין התקיימו במקביל בזמן מוצא החיים10.
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. רצף הביניים רנ"א של Tetrahymena הוא אנזים. מדע 31 ינואר 1986: כרך. 231, גיליון 4737, עמ' 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 היווצרות פרה-ביוטית סלקטיבית של RNA פירמידין ו ה-DNA נוקלאוזידים פורין. טבע 582, 60–66 (2020). פורסם: 03 ביוני 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
