Informace

Vysvětluje experiment Miller-Urey původ života?


Podle experimentu Miller -Urey mohla atmosféra rané země podpořit tvorbu aminokyselin - a experiment je oslavován jako důležitý při vysvětlování původu života. Nechápu však, jak mohl život začít z aminokyselin (nebo bílkovin), které se samy nereplikují. Některé typy RNA se replikují samy a je pravděpodobné, jak se odtamtud mohl vyvinout život.

Záleží na tom, zda se aminokyseliny dostaly před RNA, pokud ano? Je správné předpokládat, že se ve světě RNA život nějak naučil používat aminokyseliny?


To je běžná otázka. Myslím, že experiment a jeho závěry jsou často špatně pochopeny.

Původně byla nulová hypotéza, že přísady pro život nemohly vzniknout spontánně z inertních anorganických molekul. Neexistovaly žádné důkazy o přísně fyzikálních, nebiologických procesech, které by byly schopné produkovat sloučeniny, které byly nezbytné pro proteinový život, jak ho známe. Jinými slovy, abiogeneze proto nebyla podpořena žádnou řadou pozitivních důkazů ... až do Millerova-Ureyova experimentu. Experiment ukázal, že přísady mohou vznikat prostřednictvím věrohodných přírodních podmínek před existencí života! Překlenuje propast mezi inertními, anorganickými, nebiologickými a bohatými polévkami komplexních molekul, které by - pravděpodobně - byly nezbytné k tomu, aby cokoli jako abiogeneze bylo dokonce úvahou založenou na empirickém pozorování.

Přítomnost aminokyselin samozřejmě není důkazem abiogenního původu života. Život není jen protein ani aminokyselina. Ale demonstrovat, že složitá biologická chemie složek se vyskytuje spontánně ve velkém množství - to zní jako skvělý startovací bod pro abiogenní původ života! To je opravdu vše, čeho experiment dosáhl. Ve svém historickém kontextu je to velmi působivý objev, ale rozhodně to není úplné vysvětlení, pouze něco, co umožňuje (a možná i věrohodné!) Bezpočet biochemických vysvětlení. Možná nyní dokážete lépe ocenit, proč to vzrušovalo a stále vzrušuje biochemiky, kteří pracují na snaze porozumět chemickému původu života. Experiment Miller-Urey je základní.

Pokud jde o přechod z RNA na RNA-proteinový původ života, cituji stručně z jiné odpovědi jinde zde:

Pokud jde o přechod z RNA pouze do světa RNA proteinů, peptidy fungují jako kofaktory pro některé ribozymy. Je známo, že aminokyseliny a peptidy existují v prebiotickém prostředí a byly nalezeny ve vesmíru (glycin byl nalezen v kometách spolu s dalšími 70 aminokyselinami).


Experiment Miller-Urey nevysvětluje vznik života. Pouze navrhuje věrohodný způsob, jak rozvíjet život z organické hmoty, jako součást modelu abiogeneze vzniku života. Lepší přístup k pochopení teorií vzniku života je hledání kontextu.

Podle buněčné teorie již víme, že buňka je hlavní složkou organismů a že pouze buňky mohou pocházet z jiných buněk. Výzkum je tedy zaměřen na nalezení způsobu, jak vytvořit alespoň jednu buňku. Ze známých sloučenin by buňky mohly být modelovány jako sada autoregulovaných biomolekul. Pouze dva z nich se používají výslovně k replikaci: nukleová kyselina a proteiny. Pokud přemýšlíte o těchto dvou složkách, experiment Miller-Urey jen navrhuje způsob, jak vyvinout jednoduché proteiny z aminokyselin a aminokyseliny z anorganických látek. Úžasné, ale ne dost na vysvětlení složitosti skutečných proteinů a enzymů.

Existují ale i jiné teorie a fakta, které s tímto experimentem fungují dobře. Některé netranslatované olygopeptidy mají intracelulární funkce. Světová teorie PAH navrhuje způsob, jak vyvinout dusičnaté báze z aromatických uhlovodíků. Tyto báze jsou prekurzory RNA a DNA. Světová hypotéza RNA stanoví způsob, jak rozvíjet život z RNA a ne z DNA nebo proteinů. Fosfolipidová dvojvrstva má některé společné vzory s micelami a všechny tyto mechanismy by byly součástí Last Universal Common Ancestor (LUCA). Neexistuje však žádný důkaz o vztazích mezi těmito teoriemi a možná jsou prostě příliš jednoduché na vysvětlení života.

Možná první buňka pocházela z vesmíru, kde byla předčasná verze krebsova cyklu demostrována, aby fungovala. Můžeme o tom uvažovat jako o „biogenezi“, dokud nebude možné „abiogenezi“ prokázat.


Raní myslitelé

Asi před 2600 lety v iónském městě Milét (obrázek 2) přemýšlel přírodní filozof Anaximander (asi 610–546 př. N. L.) O tom, jak se lidská miminka rodila naprosto bezmocná. Bez svých rodičů neměli mladí lidé šanci přežít a stav bezmoci trval roky. Tato realita způsobila dilema při zvažování první generace lidí, která, jak předpokládal Anaximander, musela začít jako kojenec. Aby dospěli a měli vlastní děti, museli být lidští předci ve velmi vzdálené minulosti nezávislejší jako novorozenci, usoudil Anaximander. Museli být spíše jako některá jiná zvířata, jejichž mláďata se rodí připravená přežít sama.

Obrázek 2: Poloha Milétu na západním pobřeží Anatolie, která je nyní součástí moderního Turecka. Miletus byl domovem tří starověkých filozofů: Thales, Anaximander a Anaximenes.

Vzhledem k různým zvířatům se Anaximander rozhodl, že předky lidí musí být ryby. Na rozdíl od savců, kteří potřebovali, aby jejich matky začaly v životě, ryby jednoduše vycházejí z jejich vajíček a buď uhynou, nebo přežijí. To znamená, že vzdálení předci lidí by mohli přežít jako kojenci, kdyby byli více jako ryby než jako lidé.

Dokonce i v době Anaximandera lidé viděli kostry z dávno mrtvých tvorů. Fosílie vyhynulého života byly nalezeny dlouho předtím, než je paleontologové šli hledat. Starověcí Řekové žili u moře a moře často vyplavilo kostry nebo narušilo půdu, aby odhalilo zakopané kosti. Žijící v tomto prostředí, Anaximander měl obecnou představu o kosterní anatomii a o tom, jak je podobná a odlišná mezi lidmi a jinými zvířaty. Kvůli tomu se rozhodl, že přechod od ryb k lidem musel být postupný. Jinými slovy, lidé sestoupili z ryb prostřednictvím evolučního procesu.

Protože Anaximander nenavrhl žádnou představu o tom, jak došlo ke zjevnému vývoji od ryb k člověku, nebyla to raná forma Darwinovy ​​teorie přirozeného výběru. Byl to ale začátek myšlení, že život na Zemi začal malými organismy. Anaximanderova myšlenka rychle vedla k myšlence, že malé organismy byly generovány přirozeným procesem z neživé hmoty, jako je bahno na dně moře.

Během příštích století řečtí myslitelé jako Anaximenes (588–524 př. N. L.), Xenophanes (576–480), Empedocles (495–435), Democritus (460–370) a nakonec Aristoteles (384–322) vyvinuli a upravili myšlenka spontánní generace tak, aby odpovídala tomu, co lidé často pozorovali na souši. Zemědělci, kteří nechávali obilí v otevřené nádobě, si všimli, že se brzy objevily myši, jako by zrno generovalo myši. Lidé, kteří nechali maso bez dozoru, se vrátili, aby našli červy zamořené masem, jako by maso generovalo červy.

Jaké pozorování přimělo Anaximander navrhnout, aby lidé pocházeli z ryb?

Testování spontánní generace

V 18. a 19. století byla starší řecká myšlenka spontánní generace dobře zakořeněna v myslích každého, kdo se odvážil domnívat se, že původ života možná nevyžaduje bohy. A žili v době, kdy věda dospívala, někteří raní novověcí myslitelé začali se spontánní generací zacházet méně jako s filozofií a spíše jako s vědeckou hypotézou. Postupně začali myšlenku podrobovat vědeckému experimentování.

Počáteční pokus o testování spontánní generace nastal v 17. století, kdy italský vědec Francesco Redi (c. 1626–1697) pečlivě sledoval fenomén masných červů. Poté, co nechal maso v otevřené nádobě, pozoroval, že se červi skutečně objevili a že se z červů vyvinuly mouchy, které poté odletěly. Když však nechal maso v zapečetěné nádobě, červi se neobjevili. Červi se také neobjevili, když nechal maso ve sklenici zakryté síťovinou, což bylo preventivní opatření pro případ, že by spontánní tvorba z nějakého důvodu vyžadovala čerstvý vzduch. V terminologii dnešní vědy říkáme, že nádoba pokrytá síťovinou „řídila“ možnost, že spontánní generování vyžaduje čerstvý vzduch (obrázek 3).

Obrázek 3: Experiment spontánní generace Francesca Rediho s použitím sklenic masa. V první nádobě, s masem uzavřeným uvnitř zátkou, se červi neobjevili na mase ve druhé nádobě, pokryté pletivem, červi se také neobjevili na mase, ale ve třetí nádobě, bez víčka, se červi objevili se objeví na mase a vyvine se v mouchy.

Vzhledem k tomu, že síťovina bránila vzniku červů, znamenalo to, že červi nepocházejí ze spontánní generace, ale jednoduše z vajíček dospělých mušek. Podle standardů experimentálních metod v současné vědě to byl základní experiment, ale bylo to tak dobré, jak to bylo možné vzhledem k vybavení dostupnému v době Rediho.

Navzdory výsledku svého experimentu s červy Redi stále věřil, že menší tvorové zvaní „žlučový hmyz“ pocházejí ze spontánní generace. Rozvíjející se vynález, mikroskop, zároveň umožnil vědcům zaměřit se na tvory ještě menší: mikroorganismy. Pomocí svého mikroskopu si anglický experimentátor John Needham všiml, že vývary z masa se hemží mikroorganismy, a tak si spontánní generaci podrobil vlastnímu testu (viz náš modul Experimentování ve vědeckém výzkumu). Needham zahřál láhev vývaru, aby zabil všechny mikroorganismy, a nechal láhev několik dní. Poté se podíval na vývar pod mikroskopem a zjistil, že i přes dřívější zahřátí vývar opět obsahoval mikroorganismy (obrázek 4a).

Obrázek 4a: Needhamův experiment spontánní generace. Needham vývar zahřál, nechal několik dní odležet a poté v kapalině pozoroval mikroorganismy.

V Needhamově mysli toto zjištění naznačovalo, že neživý vývar dal vzniknout životu. Ale jiný vědec, Ital jménem Lazzaro Spallanzani, si myslel, že Needham musel udělat něco špatně. Možná neohřál vývar na dostatečně vysokou teplotu nebo dostatečně dlouho. Aby to zjistil, Spallanzani provedl vlastní experiment. Uvařil vývar ve dvou lahvích, jednu nechal otevřenou a jednu zavřenou a zjistil, že nové mikroorganismy se objevují pouze v otevřené lahvi. Jeho závěr: mikroorganismy vstoupily do láhve vzduchem, nebyly spontánně generovány v bujónu (obrázek 4b).

Obrázek 4b: Spallanzani provedl Needhamův experiment, ale také testoval láhev vývaru, který byl po varu uzavřen. V uzavřené lahvi nenalezl žádné mikroorganismy.

Experimenty, které se zdály být důkazem nebo vyvrácením spontánní generace života, pokračovaly další století. Kvůli rozdílu mezi uzavřenými a otevřenými nádobami se argumenty zaměřovaly na možnost, že spontánní vytváření života může vyžadovat čerstvý vzduch. Nedostatek vzduchu v uzavřené lahvi Spallanzani mohl být faktorem, který matil výsledky. Tato možnost upoutala pozornost nejslavnějšího mikrobiologa 19. století: Darwinova současníka Louise Pasteura.

Pasteura tato problematika přitahovala, ale jakmile se zapojil, věděl, že potřebuje ovládat možnost, že k vytvoření života z neživé hmoty je potřeba vzduch. K tomu navrhl baňky s dlouhými, speciálně zakřivenými, labutím krkem. To umožnilo sterilizovaný vývar být vystaven čerstvému ​​vzduchu zvenčí, ale jakékoli mikroorganismy ze vzduchu by byly zachyceny v kaluži vody v krku. (Další informace o navrhování experimentů najdete v našem modulu Experimentování ve vědeckém výzkumu.)

Sterilizované bujóny ve speciálních Pasteurových lahvích nebyly infikovány mikroorganismy, přestože byly vystaveny čerstvému ​​vzduchu (obrázek 5). A tak po více než 24 stoletích byla hypotéza spontánní generace konečně položena.

Obrázek 5: Baňky navržené Pasteurem s dlouhými krky podobnými labutím, které umožňovaly interakci sterilizovaného vývaru s čerstvým vzduchem, ale v zakřiveném hrdle baňky zachytily mikroorganismy.

To znamenalo, že si vědci už nemysleli, že by se najednou mohly objevit mikroorganismy nebo malá zvířata, aniž by měli rodiče, ale to nezabránilo lidem v přemýšlení o životě pocházejícím z neživé hmoty. Pasteurova publikace jeho experimentálních výsledků vyvracejících spontánní generování mikroorganismů přišla ve stejném roce jako Darwinova Původ druhů. To způsobilo paradox. Vědci po celém světě si byli docela jistí, že k evoluci skutečně došlo, že všechny moderní druhy nakonec pocházely z již existujících, živých forem. Pokud však jde o otázku, jak vůbec začal život, vědci právě vyvrátili jediné vysvětlení, které měli.

Myšlenka Darwinova rybníka byla zcela spekulativní. Nebyl způsob, jak to otestovat tak, jak testoval přirozený výběr roky pozorování mnoha druhů. A tak když došlo na zahájení samotného života, vědci Darwinovy ​​éry byli zaraženi. Jediné, co mohli udělat, bylo rozhazovat rukama, nebo to přirovnat k příběhům o stvoření jejich náboženství.

Experimenty Spallanzani s vývarem v lahvích ukázaly, že mikroorganismy


Chemosyntetická teorie původu života

Země vznikla asi před pěti miliardami let. V té době bylo extrémně horko. Existence života v jakékoli formě při té vysoké teplotě nebyla možná.

Původ života znamená zdání nejjednoduššího prvotního života z neživé hmoty. Evoluce života znamená postupné formování složitých organismů z jednodušších.

Bylo předloženo několik teorií vysvětlujících původ života. Široce přijímanou teorií je chemosyntetická teorie původu života, kterou navrhl A.I. Oparin. Uvádí, že život mohl původně vzniknout na Zemi prostřednictvím série kombinací chemických látek v dávné minulosti a vše se odehrálo ve vodě.

Země vznikla asi před 5 miliardami let. Původně byl tvořen horkými plyny a výpary různých chemikálií. Postupně se ochladilo a vytvořila se pevná kůra.

Počáteční atmosféra obsahovala amoniak (NH3), vodní pára (H.2O), vodík (H.2), metan (CH4). V té době nebyl volný kyslík. Tento druh atmosféry (s metanem, amoniakem a vodíkem) se stále nachází na Jupiteru a Saturnu.

Silné deště padaly na horký povrch Země a po velmi velmi dlouhou dobu se objevovaly vodní útvary, které stále obsahovaly horkou vodu. Metan a amoniak z atmosféry se rozpustí ve vodě moří.

V této vodě docházelo k chemickým reakcím a vznikaly aminokyseliny, dusíkaté báze, cukry a mastné kyseliny, které dále reagovaly a kombinovaly za vzniku biomolekul života, jako jsou proteiny a nukleové kyseliny.

Počáteční atmosféra Země neměla žádný volný kyslík. Organismy nesoucí chlorofyl později uvolňovaly volný kyslík, což dávalo větší možnosti pro vývoj života.

Experiment Miller Urey

V roce 1953 Stanley Miller a Harold C. Urey zahájili experiment se vzduchotěsným zařízením, ve kterém byly použity čtyři plyny (NH4, CH4, H.2 a H.2O) byly po dobu jednoho týdne podrobeny elektrickému výboje. Při analýze kapaliny v ní našli různé organické látky, jako jsou aminokyseliny, močovina, kyselina octová a kyselina mléčná.


Původ života na Zemi

Původ života je záhadou, konečným hlavolamem slepice a vejce (R Service, 2015). Když jste spolu se spolužáky diskutovali o definujících charakteristikách života, pravděpodobně jste zahrnuli reprodukci a dědičné informace, transformaci energie, růst a reakci na životní prostředí. Možná jste také řekli, že přinejmenším na Zemi je veškerý život složen z buněk, s membránami, které tvoří hranice mezi buňkou a jejím prostředím, a že buňky byly složeny z organických molekul (složených z uhlíku, vodíku, dusíku, kyslíku, fosfát a síra – CHNOPS). Hádankou je, že na dnešní Zemi veškerý život pochází z již existujícího života. Pasteurovy experimenty vyvrátily spontánní generování mikrobiálního života z vařeného živného bujónu. Žádnému vědci se dosud nepodařilo vytvořit živou buňku z organických molekul. Jak tedy mohl vzniknout život na Zemi, zhruba před 3,8 miliardami let? (Pamatujte na časový úsek, o kterém zde hovoříme –, že Země je stará 4,6 miliardy let, takže chemická evoluce vedla k biologickému životu téměř miliardu let.) Jak lze tuto otázku řešit pomocí proces vědeckého zkoumání?

Studie původu života

Ačkoli vědci nemohou přímo řešit, jak vznikl život na Zemi, mohou formulovat a testovat hypotézy o přírodních procesech, které by mohly odpovídat různým mezikrokům v souladu s geologickými důkazy. Ve 20. letech 20. století Alexander Oparin a J. B. S. Haldane nezávisle navrhli téměř identické hypotézy o tom, jak život vznikl na Zemi. Jejich hypotéza se nyní nazývá hypotéza Oparin-Haldane a klíčové kroky jsou:

  1. tvorba organických molekul, stavebních kamenů buněk (např. aminokyselin, nukleotidů, jednoduchých cukrů)
  2. tvorba polymerů (delší řetězce) organických molekul, které mohou fungovat jako enzymy k provádění metabolických reakcí, kódování dědičných informací a případně k replikaci (např. proteiny, vlákna RNA),
  3. tvorba protocelulárních koncentrací organických molekul a polymerů, které provádějí metabolické reakce v uzavřeném systému, odděleném od prostředí polopropustnou membránou, jako je lipidová dvojvrstvá membrána

Hypotéza Oparin-Haldane byla neustále testována a revidována a jakákoli hypotéza o tom, jak život začal, musí odpovídat 3 primárním univerzálním požadavkům na život: schopnosti reprodukovat a replikovat dědičné informace obal v membránách za vzniku buněk využití energie dosáhnout růstu a reprodukce.

1. Jak vznikaly organické molekuly na pre-biotické Zemi?

Experiment Miller-Urey
Stanley Miller a Harold Urey testovali první krok hypotézy Oparin-Haldane zkoumáním tvorby organických molekul z anorganických sloučenin. Jejich experiment z padesátých let produkoval řadu organických molekul, včetně aminokyselin, které jsou vyráběny a používány živými buňkami k růstu a replikaci.

Experiment Miller-Urey, ilustrace Wikimedia Commons od Adriana Huntera

Miller a Urey použili experimentální nastavení, aby znovu vytvořili podmínky prostředí, o nichž se věřilo, že jsou podobné rané Zemi. Plynná komora simulovala atmosféru s redukčními sloučeninami (donory elektronů), jako je metan, amoniak a vodík. Elektrické jiskry simulovaly blesky, aby dodávaly energii. Za pouhý týden a#8217s tento jednoduchý aparát způsobil chemické reakce, které produkovaly různé organické molekuly, z nichž některé jsou základními stavebními kameny života, jako jsou aminokyseliny. Ačkoli vědci již nevěří, že pre-biotická Země měla takovou redukční atmosféru, takové redukující prostředí lze nalézt v hlubinných hydrotermálních průduchech, které mají také zdroj energie ve formě tepla z průduchů. Kromě toho novější experimenty –, které používaly podmínky, o nichž se předpokládá, že lépe odrážejí podmínky rané Země –, také přinesly řadu organických molekul včetně aminokyselin a nukleotidů (stavebních kamenů RNA a DNA) (McCollom (2013).

Níže uvedené video poskytuje pěkný přehled odůvodnění, nastavení a zjištění z experimentu Miller-Urey (i když nesprávně nadhodnocuje, že Darwin ukázal že relativně jednoduchá stvoření mohou postupně dávat vznik složitějším tvorům).

Organické molekuly z meteorů

Země je každý den bombardována meteority a prachem z komet. Analýzy vesmírného prachu a meteorů, které přistály na Zemi, odhalily, že obsahují mnoho organických molekul. Pád kometárního prachu a meteoritů byl mnohem větší, když byla Země mladá (před 4 miliardami let). Mnoho vědců se domnívá, že taková mimozemská organická hmota významně přispěla k organickým molekulám dostupným v době, kdy začal život na Zemi. Níže uvedený obrázek z Bernsteinu 2006 ukazuje 3 hlavní zdroje organických molekul na Zemi před životem: atmosférická syntéza pomocí Miller-Ureyovy chemie, syntéza v hlubinných hydrotermálních průduchech a pád organických molekul syntetizovaných ve vesmíru.

2. Tvorba organických polymerů

Vzhledem k dostatečně vysoké koncentraci těchto základních organických molekul se za určitých podmínek spojí dohromady a vytvoří polymery (řetězce molekul kovalentně spojených dohromady). Aminokyseliny se například spojí a vytvoří polypeptidové řetězce, které se složí a stanou se proteinovými molekulami. Ribóza, 5-uhlíkový cukr, se může vázat s dusíkatou bází a fosfátem na nukleotid. Nukleotidy se spojují a vytvářejí nukleové kyseliny, jako je DNA a RNA. I když toho nyní dosahují enzymy v živých buňkách, polymeraci organických molekul lze také katalyzovat určitými typy jílu nebo jinými typy minerálních povrchů. Experimenty testující tento model vytvořily molekuly RNA o délce až 50 jednotek za pouhé 1–2 týdny (Ferris, 2006).

Enzymatická aktivita a dědičné informace v jednom polymeru: hypotéza RNA World

Objev Thomase Čecha, že některé molekuly RNA mohou katalyzovat vlastní místně specifické štěpení, vedl k Nobelově ceně (pro Čecha a Altmana), což je termín “ribozymy” k označení katalytických molekul RNA a oživení hypotézy, že molekuly RNA byly původní dědičné molekuly, DNA před datováním. Pro výzkumníky původu života zde byla možnost, že molekuly RNA mohou jak kódovat dědičné informace, tak katalyzovat jejich vlastní replikaci. DNA jako první dědičná molekula představovala skutečné problémy pro výzkumníky původu života, protože replikace DNA vyžaduje proteinové enzymy (DNA polymerázy) a RNA primery (viz stránka o replikaci DNA), takže je obtížné si představit, jak takový složitý dědičný systém se mohly vyvinout od nuly. S molekulami katalytické RNA by jedna molekula nebo rodina podobných molekul mohla potenciálně ukládat genetické informace a replikovat se, aniž by zpočátku byly zapotřebí proteiny.

Populace takových katalytických molekul RNA by prošla molekulární evolucí koncepčně shodnou s biologickou evolucí přirozeným výběrem. Molekuly RNA by si navzájem kopírovaly, dělaly chyby a generovaly varianty. Varianty, které se nejúspěšněji replikovaly (rozpoznávají identické nebo velmi podobné molekuly RNA a nejúčinněji je replikují), by v populaci katalytických molekul RNA zvýšily frekvenci. Světová hypotéza RNA předpokládá stádium vzniku života, kde samoreplikující se molekuly RNA nakonec vedly k vývoji dědičného systému v prvních buňkách nebo proto-buňkách. Systém molekul RNA, které kódují kodony pro specifikaci aminokyselin, a molekul podobných tRNA přenášejících shodné aminokyseliny a katalytických RNA, které vytvářejí peptidové vazby, by představoval dědičný systém podobný dnešním buňkám bez DNA.

V určitém bodě linie vedoucí k poslednímu univerzálnímu společnému předkovi se DNA stala preferovanou molekulou dlouhodobého skladování pro genetické informace. Molekuly DNA jsou chemicky stabilnější než RNA (deoxyribóza je chemicky inertnější než ribóza). Mít dvě komplementární vlákna znamená, že každé vlákno DNA může sloužit jako templát pro replikaci jeho partnerského vlákna, což poskytuje určitou vrozenou nadbytečnost. Tyto a možná i další vlastnosti poskytly buňkám s dědičným systémem DNA selektivní výhodu, takže veškerý buněčný život na Zemi využívá DNA k ukládání a přenosu genetické informace.

Přesto i dnes hrají ribozymy univerzální a ústřední roli při zpracování buněčných informací. Ribozom je velký komplex RNA a proteinů, který čte genetickou informaci ve vlákně RNA za účelem syntézy proteinů. Klíčová katalytická aktivita, tvorba peptidových vazeb pro spojení dvou aminokyselin dohromady, je katalyzována ribozomální molekulou RNA. Ribozom je obrovský ribozym. Protože jsou ribozomy univerzální pro všechny buňky, musely být takové katalytické RNA přítomny v posledním univerzálním společném předchůdci veškerého současného života na Zemi.

Navštivte stránku http://exploringorigins.org/ribozymes.html a prohlédněte si první ribozym z Tetrahymeny objevený Tomem Čechem a strukturu ribozomálních RNA.

Stránka http://exploringorigins.org/nucleicacids.html obsahuje videa z polymerace RNA z nukleotidů, syntézy RNA řízené templátem a modelu vlastní replikace RNA.

Níže uvedené video vysvětluje důvody hypotézy světa RNA a stručně popisuje některá zjištění z různých světových experimentů RNA.

3. Protocells: self-replikační a metabolické enzymy v sáčku

Veškerý život na Zemi se skládá z buněk. Buňky mají lipidové membrány, které oddělují jejich vnitřní obsah, cytoplazmu, od prostředí. Lipidové membrány umožňují buňkám udržovat vysoké koncentrace molekul, jako jsou nukleotidy, potřebné pro efektivnější fungování samoreplikujících se RNA. Buňky také udržují velké rozdíly v koncentraci (koncentrační gradienty) iontů přes membránu, aby poháněly transportní procesy a buněčný energetický metabolismus.

Lipidy jsou hydrofobní a ve vodě se samovolně shromažďují za vzniku micel nebo lipidových dvojvrstvých váčků. Vesikuly, které uzavírají replikující se RNA a jiné enzymy, přijímají reaktanty přes membránu, exportují produkty, rostou narůstáním lipidových micel a dělí se štěpením váčku, nazývají se proto-buňky nebo protobionty a mohly být prekurzory buněčný život.

Níže uvedené video zkoumá rozdíly mezi chemickou a biologickou evolucí a zdůrazňuje proto buňky jako příklad chemické evoluce.

V jakém okamžiku by evoluční procesy, jako je přirozený výběr, začaly řídit vznik prvních buněk?

Biologická evoluce je omezena na živé organismy. Jakmile tedy byly vytvořeny první buňky, doplněné dědičným systémem, podléhaly evolučním procesům a přirozený výběr by vedl k adaptaci na jejich místní prostředí a populace v různých prostředích by procházely speciacimi, protože tok genů se mezi izolovanými populacemi omezoval .

Světová hypotéza RNA však předpokládá evoluční procesy, které řídí populace samoreplikujících se molekul RNA nebo proto-buněk obsahujících takové molekuly RNA. Molekuly RNA, které by se replikovaly nedokonale, by produkovaly dceřiné molekuly s mírně odlišnými sekvencemi. Ty, které se lépe replikují nebo zlepšují replikaci růstu jejich hostitelských proto-buněk, by měly více potomstva. Proto, molekulární evoluce samoreplikujících se molekul RNA nebo proto-buněčných populací obsahujících samoreplikující se molekuly RNA by napomohla eventuální tvorbě prvních buněk.

Reference a zdroje

Bernstein M 2006. Prebiotické materiály z ranné Země i mimo ni. Philos Trans
R Soc Lond B Biol Sci. 361: 1689-700 diskuse 1700-2. PubMed
PMID: 17008210 PubMed Central PMCID: PMC1664678.


Experiment Miller-Urey a teorie prvotní polévky

Experiment testoval teorii prvotní nebo pravěké polévky vyvinutou nezávisle sovětským biologem A.I. Oparin a anglický vědec J.B.S. Haldane v roce 1924, respektive 1929. Tato teorie navrhuje myšlenku, že složité chemické složky života na Zemi pocházejí z jednoduchých molekul přirozeně se vyskytujících v redukční atmosféře rané Země, tedy bez kyslíku. Blesky a déšť dodaly energii uvedené atmosféře a vytvořily jednoduché organické sloučeniny, které tvořily organickou „polévku“. Takzvaná polévka prošla dalšími změnami, které vedly ke vzniku složitějších organických polymerů a nakonec k životu.

Experiment Miller-Urey na podporu abiogeneze

Z toho, co bylo vysvětleno v předchozím odstavci, lze nepochybně považovat za klasický experiment k prokázání abiogeneze. Pro ty, kteří nejsou s termínem obeznámeni, je abiogeneze proces zodpovědný za vývoj živých bytostí z neživé nebo abiotické hmoty. Údajně se odehrálo na Zemi asi před 3,8 až 4 miliardami let.


Původ života: Zapomenuté experimenty Stanleyho Millera, analyzované

Stanley Miller, chemik, jehož orientační experiment publikovaný v roce 1953 ukázal, jak se některé molekuly života mohly vytvořit na mladé Zemi, zanechal po sobě krabice experimentálních vzorků, které nikdy neanalyzoval. Vůbec první analýza některých starých vzorků Millera odhalila další způsob, jak se mohly na počátku Země vytvořit důležité molekuly.

Studie objevila cestu od jednoduchých ke složitým sloučeninám uprostřed prebiotické polévky Země. Před více než 4 miliardami let mohly být aminokyseliny spojeny dohromady za vzniku peptidů. Tyto peptidy nakonec mohly vést k proteinům a enzymům nezbytným pro biochemii života, jak ji známe.

V nové studii vědci analyzovali vzorky z experimentu, který Miller provedl v roce 1958. Do reakční baňky Miller přidal chemikálii, o které se v té době obecně neuvažovalo, že by byla k dispozici na rané Zemi. Nová studie zjistila, že reakce úspěšně vytvořila peptidy. Nová studie také úspěšně replikovala experiment a vysvětlila, proč reakce funguje.

„Bylo jasné, že výsledky tohoto starého experimentu nebyly nějakým artefaktem. Byly skutečné,“ řekl Jeffrey Bada, významný profesor mořské chemie na oceánografické instituci Scripps na UC San Diego. Bada byl bývalý student a kolega Millera.

Studii podpořilo Centrum pro chemickou evoluci na Georgia Institute of Technology, které společně podporují National Science Foundation a Astrobiologický program NASA. Studie byla zveřejněna online 25. června v časopise Angewandte Chemie Mezinárodní vydání. Jednalo se především o spolupráci mezi UC San Diego a Georgia Institute of Technology v Atlantě. Eric Parker, hlavní autor studie, byl vysokoškolák v Badově laboratoři a nyní je postgraduálním studentem Georgia Tech.

Jeffrey Bada byl druhým postgraduálním studentem Stanleyho Millera. Ti dva si byli blízcí a spolupracovali po celou Millerovu kariéru. Poté, co Miller v roce 1999 utrpěl těžkou mrtvici, Bada zdědil krabice experimentálních vzorků z Millerovy laboratoře. Při třídění krabic viděl Bada na vnější straně jedné krabice „vzorek elektrického výboje“ Millerovým rukopisem.

„Otevřel jsem to a uvnitř byly všechny ty další malé krabičky,“ řekl Bada. "I started looking at them, and realized they were from all his original experiments the ones he did in 1953 that he wrote the famous paper in Science on, plus a whole assortment of others related to that. It's something that should rightfully end up in the Smithsonian."

The boxes of unanalyzed samples had been preserved and carefully marked, down to the page number where the experiment was described in Miller's laboratory notebooks. The researchers verified that the contents of the box of samples were from an electric discharge experiment conducted with cyanamide in 1958 when Miller was at the Department of Biochemistry at the College of Physicians and Surgeons, Columbia University.

An electric discharge experiment simulates early Earth conditions using relatively simple starting materials. The reaction is ignited by a spark, simulating lightning, which was likely very common on the early Earth.

The 1958 reaction samples were analyzed by Parker and his current mentor, Facundo M. Fernández, a professor in the School of Chemistry and Biochemistry at Georgia Tech. They conducted liquid chromatography- and mass spectrometry-based analyses and found that the reaction samples from 1958 contained peptides. Scientists from NASA's Johnson Space Center and Goddard Space Flight Center were also involved in the analysis.

The research team then set out to replicate the experiment. Parker designed a way to do the experiment using modern equipment and confirmed that the reaction created peptides.

"What we found were some of the same products of polymerization that we found in the original samples," Parker said. "This corroborated the data that we collected from analyzing the original samples."

In the experiment from 1958, Stanley Miller had the idea to use the organic compound cyanamide in the reaction. Scientists had previously thought that the reaction with cyanamide would work only in acidic conditions, which likely wasn't widely available on early Earth. The new study showed that reactive intermediates produced during the synthesis of amino acids enhanced peptide formation under the basic conditions associated with the spark discharge experiment.

"What we've done is shown that you don't need acid conditions you just need to have the intermediates involved in amino acid synthesis there, which is very reasonable," Bada said.

Why Miller added cyanamide to the reaction will probably never be known. Bada can only speculate. In 1958, Miller was at Columbia University in New York City. Researchers at both Columbia and the close-by Rockefeller Institute were at the center of studies on how to analyze and make peptides and proteins in the lab, which had been demonstrated for the first time in 1953 (the same year that Miller published his famous origin of life paper). Perhaps while having coffee with colleagues someone suggested that cyanamide -- a chemical used in the production of pharmaceuticals -- might have been available on the early Earth and might help make peptides if added to Miller's reaction.

"Everybody who would have been there and could verify this is gone, so we're just left to scratch our heads and say 'how'd he get this idea before anyone else,'" Bada said.

The latest study is part of an ongoing analysis of Stanley Miller's old experiments. In 2008, the research team found samples from 1953 that showed a much more efficient synthesis than Stanley published in Science in 1953. In 2011, the researchers analyzed a 1958 experiment that used hydrogen sulfide as a gas in the electric discharge experiment. The reactions produced a more diverse array of amino acids that had been synthesized in Miller's famous 1953 study. Eric Parker was the lead author on the 2011 study.

"It's been an amazing opportunity to work with a piece of scientific history," Parker said.


Viewpoint: Yes, the theory that life began in the "little warm pond" has supporting evidence from a number of experiments, and competing theories are more problematic.

How Did Life Begin?

The best theory we currently have regarding the origin of life on Earth is that it first originated as the accumulation of organic compounds in a warm body of water. This hypothetical "warm little pond" has supporting evidence from a number of experiments. However, the origin of life is clouded in uncertainty, and the precise mechanisms by which basic chemicals came together to form complex organisms is not known. The lack of evidence from ancient Earth means we may never know precisely how life began. Nevertheless, of all the speculative theories, the warm little pond remains the most promising.

In some ways the nature of this question means that a simple "yes and no" debate is of little value. To begin with, arriving at a satisfactory definition of "life" has proved difficult. While a number of attempts have been made, some definitions are so broad as to include fire and minerals, while others are so narrow they exclude mules (which are sterile).

Another major problem with determining how life began on Earth is the lack of evidence. The fossil record is limited by the fact that almost all rocks over three billion years old have been deformed or destroyed by geological processes. In addition to debating the issue of when life emerged, scientists also debate the conditions of ancient Earth. Some theories posit that early conditions on our planet was extremely cold, while other theories suggest that it was warm and temperate, and even boiling hot. Computer models have suggested that a variety of temperature ranges are possible, but without further evidence there is little consensus.

Life on Earth may have had a number of false starts. Early Earth was subjected to massive geological upheavals, as well as numerous impacts from space. Some impacts could have boiled the ancient oceans, or vaporized them completely, and huge dust clouds could have blocked out sunlight. Life may have begun several times, only to be wiped out by terrestrial or extra-terrestrial catastrophes.

Any theory on the origin of life must contain a great deal of speculation. What scientists can agree upon are the general characteristics that define life from non-life. Early life must have had the ability to self-replicate, in order to propagate itself and survive. Self-replication is a tricky process, implying a genetic memory, energy management and internal stability within the organism, and molecular cooperation. Just how the ingredients of the "primordial ooze" managed to go from simple chemical process to complex self-replication is not understood. Moreover, the process of replication could not have been exact, in order for natural selection to occur. Occasional "mistakes" in the replication process must have given rise to organisms with new characteristics.

Life from a Chemical Soup

The modern debate on the origin of life was inaugurated by Charles Darwin. In a letter to a fellow scientist he conjectured that life originated when chemicals, stimulated by heat, light, or electricity, began to react with each other, thereby generating organic compounds. Over time these compounds became more complex, eventually becoming life. Darwin imagined that this process might occur in shallow seas, tidal pools, or even a "little warm pond." Later theorists have suggested variations on this theme, such as a primordial ocean of soup-like consistency, teeming with the basic chemical ingredients needed for life. While Darwin and his contemporaries saw life as a sudden spontaneous creation from a chemical soup, modern theories

In the early 1950s the "little warm pond" theory of life was given strong experimental support by the work of Harold Urey and Stanley Miller. Miller, a student of Urey, filled a glass flask with methane (natural gas), hydrogen, and ammonia. In a lower flask he placed a small pool of water. He then applied electric shocks to mimic lightning. The results were more than either scientist had hoped for—within a week Miller had a rich reddish broth of amino acids. Amino acids are used by all life on Earth as the building blocks for protein, so Miller's experiment suggested that the building blocks of life were easy to make, and would have been abundant on early Earth.

Further experiments by Sidney W. Fox showed that amino acids could coagulate into short protein strands (which Fox called proteinoids). It seemed that scientists were on the verge of creating life from scratch in a test tube. However, Fox's work now appears to be something of a dead end, as there is no further step to take after proteinoids. Proteins and proteinoids are not self-replicating, and so either there are missing steps in the process, or something altogether different occurred. Miller's work, too, has lost some of its shine, as there are now strong doubts that the atmosphere of ancient Earth contained the gases he used in his experiment. It is possible that rather than methane, hydrogen, and ammonia the early atmosphere was rich in carbon dioxide and nitrogen.

Even if amino acids were common on early Earth there is still the question of how these simple compounds gave rise to the complexity of life, and to DNA, the double helix that contains the genetic code. DNA cannot replicate without catalytic proteins, or enzymes, but the problem is that the DNA forms those proteins. This creates something of a chicken-and-egg paradox. One possible explanation is that before the world of DNA there was an intermediate stage, and some scientists have suggested that RNA is the missing gap. RNA is similar to DNA, but is made of a different sugar (ribose), and is single-stranded. RNA copies instruction from DNA and ferries them to the chemical factories that produce proteins in the cell. RNA may have come first, before DNA. The RNA world may have provided a bridge to the complexity of DNA. However, RNA is very difficult to make in the probable conditions of early Earth, and RNA only replicates with a great deal of help from scientists. Some theorists think there was another, more simple, stage before RNA, but again, no evidence has been found.

Other Theories on the Origin of Life

Because of the difficulties with the warm little pond theory and its variants a number of new theories have recently emerged to challenge it. Many of these theories are interesting, intriguing, and even possible. However, they all have unanswered questions, making them even more problematic than the idea of the "little warm pond."

Several decades ago scientists were amazed to discover organisms that live in very hot conditions. Dubbed thermophiles, these hot-living bacteria have been found in spring waters with temperatures of 144ଏ (80ଌ), and some species near undersea volcanic vents at the boiling point of water. There is even some evidence of under-ground microbes at even higher temperatures (336ଏ [169ଌ]). The discovery of such hardy organisms has led some to speculate that life originated not in a warm pond, but in a very hot one. Perhaps ancient Earth was peppered with meteor and comet impacts, raising temperatures and boiling oceans, but also providing the necessary chemical compounds to create life. Or possibly hot magma from volcanic sources provided the vital gases and compounds, and the energy, to assemble the first living organisms.

A variant of this theory considers the undersea volcanic vents as the birthplace of life, with the chemical ingredients literally cooked into life. There are even those who champion a deeper, hotter, underground origin for life. Underwater and underground origins have some advantages over other theories. Such depth might make early life safe from the heavy bombardment of material from space the planet received, depending on the size of the object striking Earth and the depth of the water. They would also be safe from other surface dangers, such as intense ultraviolet radiation. There is even some genetic evidence to support these hot theories, as thermophiles do seem to date back to near the beginnings of the tree of life. However, whether they were the trunk of the tree, or merely an early branch, is not known. There is also the question of how these hot organisms could have moved into cooler areas. Some theorists argue that it is easier to go from cool to hot, not the other way around. Also, environments such as undersea volcanic vents are notoriously unstable, and have fluctuations that can cause local temperature variation that would destroy rather than create complex organic compounds.

Some theorists have gone to the other extreme of the temperature scale, and envision life beginning on a cold, freezing ancient Earth. Just as hot microbes have been discovered, so have organisms capable of surviving the Antarctic cold. Some suggest these as our common ancestors. Again, there are some advantages to such a theory. Compounds are more stable at colder temperatures, and so would survive longer once formed. However, the cold would inhibit the synthesis of compounds, and the mobility of any early life. Also, the premise that ancient Earth was a cold place is not widely accepted.

Others have looked to the heavens for the origins of life. The early solar system was swarming with meteors and comets, many of which plummeted to Earth. Surprisingly there are many organic compounds in space. One theory suggests that the compounds needed to form the primordial soup may have arrived from space, either from collisions, or just from near misses from comet clouds. Even today a constant rain of microscopic dust containing organic compounds still falls from the heavens. Could the contents of the little warm pond have come from space?

There are also suggestions that life may have arrived from space already formed. Living cells could possibly make the journey from other worlds, perhaps covered by a thin layer of protective ice. The recent uncovering of a meteorite that originated on Mars has leant support to this theory. There is some suggestion that the meteorite contains fossilized microorganisms, but most scientists doubt this claim. However, the collision of comets and meteors is far more likely to have hindered the development of life than help create it. Objects that would have been large enough to supply a good amount of organic material would have been very destructive when they hit. It seems probable that life began on Earth, rather than in space somewhere. Also, the idea that life may have traveled to Earth does not help explain its origin it merely transposes the problem to some distant "little warm pond" on another world.

There are a number of other theories proposing various origins of life that have appeared in recent years. Gunter Wachtershauser, a German patent lawyer with a doctorate in organic chemistry, has suggested that life began as a film on the surface of fools gold (pyrite). Some small experiments have given it some credence, but the idea is still at the extreme speculative stage. Sulfur is the key ingredient in some other theories, such as the Thioester theory of Christian R. de Duve. Thioesters are sulfur-based compounds that Duve speculates may have been a source of energy in primitive cells. In the primal ooze thioesters could have triggered chemical reactions resembling those in modern cellular metabolism, eventually giving rise to RNA. However, again there is a lack of supporting experimental evidence.

All of these new theories suffer from the same problems that beset the standard interpretation. That is, the difficulty of going from simple chemical process to self-replicating organisms. Many of these new theories are merely new twists on the original warm little pond concept. Some are boiling ponds, others are cold, but only a few offer completely different ways of viewing the origin of life. While some of these theories have some strong points, they have yet to provide the hard evidence to support the speculation. None of them has gained enough support to topple the "little warm pond" from its place as the most likely theory we have. There is much supporting evidence for the standard theory, in the form of Miller's experiments and the work on RNA. Darwin's throw-away comment in a letter may have led to more than he bargained for, but his theory on the origin of life still remains the best and most useful theory we currently have.


Miller-Urey Experiment

A classic experiment in molecular biology and genetics, the Miller-Urey experiment, established that the conditions that existed in Earth ’ s primitive atmosphere were able to produce amino acids, the subunits of proteins (complex carbon-containing molecules required by all living organisms). The Miller-Urey experiment fundamentally established that Earth ’ s primitive atmosphere was capable of producing the building blocks of life from inorganic materials.

In 1953, University of Chicago researchers Stanley L. Miller and Harold C. Urey set up an experimental investigation into the molecular origins of life. Their innovative experimental design consisted of the introduction of molecules thought to exist in early Earth ’ s primitive atmosphere into a closed chamber. Metan (CH4), hydrogen (H2), and ammonia (NH3) gases were introduced into a moist environment above a water-containing flask. To simulate primitive lightning discharges, Miller supplied the system with electrical current (sparks).

After a few days, Miller observed that the flask contained organic compounds and that some of these compounds were the amino acids that serve as the essential building blocks of protein. Using chromatological analysis, Miller continued his experimental observations and confirmed the ready formation of amino acids, hydroxy acids, and other organic compounds.

Although the discovery of amino acid formation was of tremendous significance in establishing that the raw materials of proteins were easy to obtain in a primitive earth environment, there remained a larger question as to the nature of the origin of genetic materials — in particular, the origin of DNA and RNA molecules.

Continuing on the seminal work of Miller and Urey, in the early 1960s Juan Oro discovered that the nucleotide base adenine could also be synthesized under primitive Earth conditions. Oro used a mixture of ammonia and hydrogen cyanide (HCN) in a closed aqueous enviroment.

Oro ’ s findings of adenine, one of the four nitrogenous bases that combine with a phosphate and a sugar (deoxyribose for DNA and ribose for RNA) to form the nucleotides represented by the genetic code: (adenine (A), thymine (T), guanine (G), and cytosine (C). In RNA molecules, the nitrogenous base uracil (U) substitutes for thymine. Adenine is also a fundamental component of adenosine triphosphate (ATP), a molecule important in many genetic and cellular functions.

Subsequent research provided evidence of the formation of the other essential nitrogenous bases needed to construct DNA and RNA.

The Miller-Urey experiment remains the subject of scientific debate. Scientists continue to explore the nature and composition of earth ’ s primitive atmosphere and thus, continue to debate the relative closeness of the conditions of the Miller-Urey experiment (e.g., whether or not Miller ’ s application of electrical current supplied relatively more electrical energy than did lightning in the primitive atmosphere). Subsequent experiments using alternative stimuli (e.g., ultraviolet light) also confirm the formation of amino acids from the gases present in the Miller-Urey experiment. During the 1970s and 1980s, astrobiologists and astrophyicists, including American physicist Carl Sagan, asserted that ultraviolet light bombarding the primitive atmosphere was far more energetic that even continual lightning discharges. Amino acid formation is greatly enhanced by the presence of an absorber of ultraviolet radiation such as the hydrogen sulfide molecules (H2S) also thought to exist in the early earth atmosphere.

Although the establishment of the availability of the fundamental units of DNA, RNA and proteins was a critical component to the investigation of the origin of biological molecules and life on earth, the simple presence of these molecules is a long step from functioning cells. Scientists and evolutionary biologists propose a number of methods by which these molecules could concentrate into a crude cell surrounded by a primitive membrane.

Scientific opinion about whether Miller-Urey assumptions about the chemical makeup of the early Earth ’ s atmosphere were correct has seesawed over the decades. Most recently, in 2005, several independent studies concluded that the Miller-Urey assumptions were probably approximately correct.


Závěr

Life did not arise by physics and chemistry without intelligence. The intelligence needed to create life, even the simplest life, is far greater than that of humans we are still scratching around trying to understand fully how the simplest life forms work. There is much yet to be learned of even the simplest bacterium. Indeed, as we learn more the &lsquoproblem&rsquo of the origin of life gets more difficult a solution does not get nearer, it gets further away. But the real problem is this: the origin of life screams at us that there is a super-intelligent Creator of life and that is just not acceptable to the secular mind of today.

The origin of life is about as good as it gets in terms of scientific &lsquoproof&rsquo for the existence of God.


Podívejte se na video: Stanley Miller Urey Experiment (Listopad 2021).