PŮVOD ŽIVOTA NA ZEMI Leslie E Orgel

1. PŮVOD ŽIVOTA NA ZEMILeslie E Orgel Zuzana Kauerová 2005/2006

2. 1. ÚVOD • Existují tři populární hypotézy, pokoušející se vysvětlit vznik prebiotických molekul: • Syntéza ve ztenčující se atmosféře • Transport na povrchu meteoritů • Syntéza na kovových sulfidech v průduchách mořských hlubin

3. 1.1 VZNIK ZEMĚ • Stáří země = cca 4,5 miliardy let • Život na Zemi přítomen již před 3,8 miliardami let • Již před 3,5 miliardami let existovaly organizmy podobné dnešním zelenomodrým řasám (zachovány mikrofosilie) => Pouze 0,7 miliardy let stačilo na vznik prapůvodní formy života!

4. 1.2 PRAOTEC ORGANIZMUS • Všechny organizmy pochází ze společného předchůdce –LCA (Last Common Ancestor) • LCA žijící před 3,5-3,8 miliardami let měly srovnatelnou stavbu jako moderní bakterie • Co však bylozdroji malých organických molekul, které daly vznik prvním systémům schopných replikace? • Jak se vyvinula biologická organizace z abiotického přísunu malých organických molekul?

5. 2. ABIOTICKÁ SYNTÉZA MALÝCH ORGANICKÝCH MOLEKUL • Tři teorie: • Miller-Ureyova teorie ztenčující se atmosféry • Srážková teorie (nejpopulárnější) 3. Wächterhäuserova teorie podmořských trhlin a kovových minerálů

6. 2.1 Miller-Uryeova teorie • V roce 1953 provedl Miller s kolegou Ureyem experiment: • Vystavil směs metanu, amoniaku a vodíku elektrickému výboji a vedl produkty do tekuté vody. Prokázal, že značné procento uhlíku v plynné směsi se těsně spojilo do relativně malých skupin jednoduchých organických molekul a do několika přirozeně se objevujících aminokyselin, z nichž se některé vyskytují v živých organizmech.

7. Miller-Ureyeův pokus: Elektrody přivádí do směsi metanu, amoniaku, vodíku a vodní páry. Vzniká výboj, způsobující reakci, jejíž produkty jsou přiváděny do horké vody.

9. Hlavní syntetický směr přes Streckerovu syntézu • Příklady probíhajících reakcí: • CH2O => cukry, včetně malého množství ribózy (kat. Ca(OH)2) • CH4 + NH3 + H2O => aminokyseliny včetně glycinu (kat. elektrickým výbojem) • HCN => adenin (kat. vodným amoniakem) 4. Kyanoacetylen => pyrymidinové báze cytosinu a uracilu (kyanoacetylen vzniká působením elektrického výboje na směs metanu a dusíku)

10. Podle následujících studií nikdy nemohlo dojít k takovému ztenčení atmosféry =>tvorba prebiotické polévky biomonomerů tímto způsobem zamítnuta

11. 2.2 Srážková teorie • Založena na možnosti přenosu malých organických molekul prostřednictvím dopadajících meteoritů – tzv. uhlíkatých chondritů • Obsahujínezanedbatelné množství organického uhlíku, některé ze standardních aminokyselin a nukleových kyselin a jejich bází

14. Pravděpodobnost zachování jmenovaného materiálu při dopadu na Zemi je závislá na mnoha vnějších podmínkách (složení a hustota atmosféry, velikosti narážejících objektů, etc.) a experimentálně nelze ověřit =>nepotvrzeno

15. 2.3 Teorie podmořských trhlin a kovových minerálů • V podmořských trhlinách na zemském povrchu se setkává extrémně horká voda, bohatá na ionty přechodných kovů a hydrogensulfidy,se studenou vodou • Podle Wächterhäuserovy teorie by reakce mezi sulfidem železa (II) a hydrogensulfidem (reakce poskytuje pyrit – FeS a hydrogen)mohla poskytnout volnou energii, nezbytnou pro redukci oxidu uhličitéhoza vzniku molekul, schopných podporovat původ života

16. Teorie však považuje za esenciální, že jmenované látky neunikají z povrchu hydrogensulfidu a že molekuly se samostatně zorganizovaly do funkčních celků • Podle Wächterhäuserova názoru dokonce nikdy neexistovala prebiotická polévka • Hypotéza nabývá významu pouze v případě, že by hydrogensulfid působil pouze jako redukční činidlo

17. 3. „SAMOORGANIZACE“ • Dle všeobecně uznávané teorie byla RNA prvním genetickým materiálem a pramatkou všech dalších podobných molekul – tzv. světová RNA • Dvě otázky: • Byla RNA prvním genetickým materiálem nebo jí předcházel jeden či více genetických jednodušších materiálů? • Kolik samostatně organizovatelných reakčních sekvencí je možných v nepřítomnosti genetického materiálu?

18. 3.1 Světová RNA • Pro výzkum světové RNA jsou nejdůležitější reakce, ve kterých matriční RNA řetězce katalyzují syntézy svých vlastních komplementů z monomerů nebo krátkých oligomerů

19. Ferissova teorie • Podle Ferisse a jeho spolupracovníků se nejprve aktivované mononukleotidy naabsorbovaly namontmorillonitový nebo ekvivalentní minerál, a oligomerizovaly • Následovalo kopírování vzorůpoužitím monomerů nebo krátkých oligomerů jako substrátů =>  akumulace knihovních dsRNA molekul

20. Nakonec se RNA dvoušroubovice, jejíž jeden z řetězců aktivoval RNA polymerázy, oddělil • Polymerázový řetězeczkopíroval své komplementy =>produkce sekundární polymerázové molekuly, která kopírovala tu první k získání druhého komplementu a tak dále • Světová RNA mohla tudíž vzniknout z mnoha aktivovaných nukleoditů

21. Cairns-Smithova teorie • Podle Cairns-Smithe byl první formou života jakýsi jíl či hlína, sám schopný replikace • Předpokládal, že syntéza organických molekul se stala součástí kompetitivní strategie jílového světa a že inorganický genom byl převzat jedním z organických výtvorů • Hypotéza nenabyla významu

22. 3.2 Svět před RNA • Jedinými potencionálními informačními systémy, vedoucími k nukleovým kyselinám (NK) moderní doby, jsou analogy RNA

23. Eschenmoserova teorie • Eschenmoser a jeho kolegové se zabývali systematickým studiem vlastností analogů NK, ve kterých je ribóza nahrazena jiným cukrem nebo ve kterých je furanóza z ribózy je nahrazena pyranozovou formou • Překvapivě, polynukleotidy založené na pyranosilovém izomeru ribózy (p-RNA) dávají vznik Watson-Crick-párovaným dvoušroubovicím, které jsou stabilnější než RNA

24. Nielsenova teorie • Nielsen a kolegové syntetizovali další analog NK – peptid nukleové kyseliny (PNA) • PNA = stabilní achirální analog RNA nebo DNA, bez náboje • Při přímých reakcích matricového řetězce může být přenášena informace z PNA do RNA a naopak • PNA-DNA chimerázy ochotně vytváří DNA nebo PNA matrice =>přechod z PNA na světovou RNA je možný

25. Zvláštní metabolická teorie • Několik autorů navrhlo, že metabolizmus přišel před genetikou • Předpokládají, že organizace sekvenčních reakcí se může vyskytnout i v nepřítomnosti genetického polymeru a tedy že první genetický polymer se pravděpodobně objevil už ve specializovaném biochemickém prostředí • Vzhledem k minimální pravděpodobnosti samostatné organizace bez genetického materiálu teorie opomíjena

26. 4. ZÁVĚR • Existuje celá řada obhájitelných teorií o původu organického materiálu na primitivní Zemi, ale žádný přesvědčivý doklad • Která hypotéza je správná se snad ukáže časem, až budeme schopni přesně nasimulovat podmínky, které na Zemi před 3,8 miliardami let, alespoň co nejpravděpodobněji, vládly

27. Děkuji Vám za pozornost