Ankstyvojoje Žemės cheminėje aplinkoje vykusios cheminės reakcijos galėjo sukurti pagrindus, ant kurių susikūrė ir vystėsi gyvybė.

Atradimas, kad daugumoje gyvų ląstelių vykstančio Krebso ciklo versija gali vykti be ląstelėse esančių specialių baltymų – fermentų – rodo, kad metabolizmas yra senesnis nei pati gyvybė.

Metabolizmas apima klaikiai sudėtingą tinklą reakcijų, užtikrinančių organizmų energijos gamybą ir būtinų gyvenimui, augimui ir dauginimuisi molekulių tiekimą.

Krebso ciklas – dar vadinamas trikarboksilo rūgšties (TCA) ciklu – yra šio tinklo širdis. Jis apibūdina ciklinę reakcijų grandinę, gaminančią aminorūgščių ir lipidų, naudojamų baltymų ir membranų gamybai prekursorius bei molekules padedančiais ląstelei gaminti energiją.

Bet kaip gi toks sudėtingas ciklas išsivystė?

Viena idėja – jis radosi tik po RNR, fundamentalaus gyvybės bloko, susidarymo. Metabolines reakcijas katalizuoja specialūs baltymai, fermentai, kurie gaminami pagal RNR suteikiamus pavyzdžius – bent jau šiuolaikinėse ląstelėse vyksta būtent taip.

Tačiau ši „RNR pasaulio” hipotezė turi problemą: jei reakcijos nebūtų vykusios anksčiausiose gyvybės formose ir nebūtų joms suteikusios išlikimo pranašumo, nebūtų buvę ir atrankos spaudimo fermentų evoliucijai. Be to, pati RNR yra sudaryta iš metabolizmo produktų.

Taigi, alternatyvus paaiškinimas yra, kad Krebso ciklas egzistavo iš pat pradžių, ir ankstyvosios gyvybės formos tiesiog priglobė jį ir sukūrė fermentus, taip padidindamos jo efektyvumą.

Tačiau dabartiniai Krebso ciklą katalizuojantys fermentai tam naudoja labai skirtingus mechanizmus. Idėją, kad kokia nors ankstyvuosiuose vandenynuose buvusi paprasta, neorganinė molekulė galėjo katalizuoti tokią reakcijų įvairovę, RNR pasaulio šalininkai kadaise atmetė kaip „apeliaciją į stebuklą”.

Jokių magiškų triukų

Dabar Markus Ralser iš Francis Crick instituto Londone su kolegomis, panašu, tokią molekulę ištraukė iš skrybėlės, nė nepamojavę stebuklingąja lazdele.

Anksčiau Ralseris yra pademonstravęs, kad kitas dvi svarbias metabolizmo grandines – glikolizės ir pentozės fosfato – gali katalizuoti metalo jonai, buvę Žemės kūdikystėje, o ne fermentai, katalizuojantys reakcijas ląstelėse dabar.

Bet „metabolizmas - pirmiau“ idėjos skeptikai nurodė, kad tokios reakcijų grandinės vyksta tik viena kryptimi, kai tuo tarpu ankstyviausiai gyvybei būtų reikėję, kad jos vyktų abiem kryptimis, ir vargu ar šių grandinių pradinė medžiaga, gliukozė, ankstyvojoje Žemėje išvis egzistavo.

Negalėdamas kol kas pateikti patenkinamo šių problemų sprendimo, Ralseris nukreipė dėmesį į Krebso ciklą. Kitaip nei gliukozė, cheminės medžiagos, dalyvaujančios įvairiose Krebso ciklo dalyse, buvo aptiktos ant meteoritų ir laboratorijoje atkurtose ankstyvųjų Žemės vandenynų sąlygose – tad, žinome, kad jų tada buvo.

„Galime ir nesugebėti išsiaiškinti, iš kur taip lengvai radosi gliukozė,” sako Ralseris. „Bet jeigu galėsime pateikti įrodymus, kad Krebso ciklas galėjo rastis iš vieno, nefermentinio katalizatoriaus, tai būtų itin stiprus argumentas, paremiantis mūsų teiginius apie metabolizmo kilmę.”

Taigi, jo komanda paėmė Krebso cikle dalyvaujančias chemines medžiagas ir paveikė cheminėmis medžiagomis, kurių turėjo būti ankstyvųjų okeanų nuosėdose. Nieko nevyko, kol jie neįpylė peroksidisulfato, itin aktyvių sulfato radikalų šaltinio.

Tai pradėjo seką 24 cheminių reakcijų, kurios labai panašios – nors ir ne identiškos – dabar vykstančioms Krebso cikle.

„Labiausiai stulbina, kad vienintelė molekulė katalizuoja visas mūsų atrastas reakcijas,” sako Ralseris. „Dar labiau jaudina jos paprastumas, nes tada kyla jausmas, kad tikėtina, jog taip viskas ir galėjo prasidėti.”

Sulfato radikalų turėjo netrūkti šalia hidroterminių versmių, kuriose prasidėjo gyvybė, arba šalia sieringų nuosėdų.

Ralseris mano, kad šios elementarios cheminės reakcijos suteikė lekalą, kuriuo galėjo remtis vėliau atsiradusios evoliucijos jėgos.

Nebaigtas ciklas

Tačiau Ralserio užfiksuotas fermentų nenaudojantis Krebso ciklas nėra užbaigtas biocheminis ciklas, kaip kad dabartinėse ląstelėse. Tai galėjo nutikti vėliau, jau išsivysčius fermentams.

Be to, kol kas pademonstruotas tik į vieną pusę vykstantis sulfato palaikomas ciklas (oksidacinis). Kai kuriose rūšyse Krebso ciklas gali vykti ir priešinga kryptimi, ir taip padeda įjungti CO₂ į angliavandenių gamybą. Kai kas mano, kad tai buvo susiję su ankstyva anglies fiksacija, ir šiuo atveju tikėtumėmės išvysti ciklą spontaniškai pasukantį ir šia kryptimi.

Kai kurių ekspertų nuomone, kol tyrėjai nepademonstravo abiejų šių dalykų, jie negali teigti, kad metabolizmas radosi anksčiau už ląsteles ir gyvybę.

„Šis straipsnis kruopštus ir išvados stulbinamos ir atsargios,” sako Nick Lane, evoliucijos biologas iš UCL. „Bet tai yra griežtai oksidacinis Krebso ciklas, kuris tikrai nėra senas. Veikiausiai jis tapo oksidaciniu po to, kai atmosferoje atsirado daugiau molekulinio deguonies.

„Prieš tai buvo redukcinis Krebso ciklas, kuris fiksavo CO₂, naudodamas H₂ ir kuris iki šiol aptinkamas kai kuriose senovinėse bakterijose,” pažymi Lane'as. „Redukcinio Krebso ciklo jie visai nesimuliuoja.”

Be to, net jei visos trys fundamentalios metabolizmo grandinės – Krebso ciklas, pentozės fosfato reakcija ir glikolizė – gali vykti be fermentų, lieka neaišku, kaip radosi visi kiti gyvybės komponentai.

„Vykstančios metabolinės reakcijos yra labai geras gyvybės pradžios taškas, bet tai nėra gyvybė, o tik cheminių reakcijų tinklas,” paaiškina Ralseris. „Dar reikia ir tokių dalykų, kaip membranos, kurios apgobtų reakcijas ir genetinio mechanizmo, kad galėtų vykti paveldimumas.

„Kaip šiuos elementus apjungti vienoje aplinkoje ne ekstremaliomis sąlygomis, ir priversti juos veikti?” klausia jis. „Tai vis dar tebėra didelis iššūkis.”

Žurnalo nuoroda: Nature Ecology & Evolution : DOI: 10.1038/s41559-017-0083

Skaitykite plačiau:Gyvybės kibirkštis laboratorijoje – be ląstelių ;
First life: The search for the first replicator

Linda Geddes
newscientist.com

Komentarai ()