PŮVOD ŽIVOTA NA ZEMI Leslie E Orgel Zuzana Kauerová 2005/2006

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

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!

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 bylo zdroji malých organických molekul, které daly vznik prvním systémům schopných replikace? Jak se vyvinula biologická organizace z abiotického přísunu malých organických molekul?

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

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.

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

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)

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

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

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

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 uhličitého za vzniku molekul, schopných podporovat původ života

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

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?

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

Ferissova teorie Podle Ferisse a jeho spolupracovníků se nejprve aktivované mononukleotidy naabsorbovaly na montmorillonitový nebo ekvivalentní minerál, a oligomerizovaly Následovalo kopírování vzorů použitím monomerů nebo krátkých oligomerů jako substrátů =>  akumulace knihovních dsRNA molekul

Nakonec se RNA dvoušroubovice, jejíž jeden z řetězců aktivoval RNA polymerázy, oddělil Polymerázový řetězec zkopíroval 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

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

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

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

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

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

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

Děkuji Vám za pozornost