Неразгаданная тайна происхождения жизни: новая стратегия

Происхождение жизни остается научной загадкой, и исследования делятся на методы «снизу вверх», которые моделируют среду ранней Земли, и методы «сверху вниз», которые используют эволюционную биологию для отслеживания форм жизни. В недавней междисциплинарной статье предлагается объединить эти методологии путем изучения цепей переноса электронов, глобальной метаболической системы, что дает представление о первых метаболических стратегиях жизни и их происхождении.

Несмотря на многолетний прогресс, происхождение жизни остается одной из самых непреходящих загадок науки.

«Самая важная особенность биологии, живые существа состоят из клеток, через которые передается генетическая информация. ДНК«Они используют белковые ферменты для обеспечения своего метаболизма, и все это возникло в результате определенных процессов в очень ранней истории эволюции», — говорит Аарон Голдман, доцент биологии Оберлинского колледжа. «Понимание того, как впервые сформировались эти основные биологические системы, не только даст нам представление о том, как жизнь работает на фундаментальном уровне, но и о том, что такое жизнь на самом деле, и как мы можем искать ее за пределами Земли».

Вопрос о том, как впервые возникла жизнь, обычно изучается с помощью лабораторных экспериментов, которые моделируют среду ранней Земли и ищут химию, которая могла бы создать такие же виды биомолекул и метаболических реакций, которые мы наблюдаем сегодня у живых существ. Это известно как подход «снизу вверх», потому что он работает с материалами, которые в противном случае были бы на Земле для пребиотиков.

Хотя эти так называемые эксперименты по «пребиотической химии» успешно продемонстрировали, как жить можно иметь Взрослея, они не могут сказать нам, что такое жизнь на самом деле Акт возникают. Между тем, другие исследования используют методы эволюционной биологии для реконструкции того, как могли выглядеть ранние формы жизни, на основе данных о современной жизни. Это известно как подход «сверху вниз», и он может рассказать нам об истории жизни на Земле.

Тем не менее, нисходящие исследования могут только оглянуться назад, поскольку сегодня в организмах все еще сохранились гены, и, следовательно, они не прошли весь путь до зарождения жизни. Несмотря на свои ограничения, исследования «сверху вниз» и «снизу вверх» направлены на достижение общей цели открытия происхождения жизни, и в идеале их ответы должны сойтись на общем наборе условий.

В новой статье, опубликованной Голдманом, Лори Бардж (ученый-исследователь в области астробиологии в НАСАЛаборатория реактивного движения (г.Лаборатория реактивного движения)) и коллег, восполнить этот методологический пробел. Авторы утверждают, что объединение восходящих лабораторных исследований возможных путей происхождения жизни с нисходящими эволюционными реконструкциями ранних форм жизни может быть использовано для выяснения того, как на самом деле возникла жизнь на ранней Земле.

В своей статье авторы описывают фундаментальный для сегодняшней жизни феномен, который можно изучать, комбинируя исследования «снизу вверх» и «сверху вниз»: цепи переноса электронов.

Цепи переноса электронов — это тип метаболической системы, используемой организмами на всем протяжении древа жизни, от бактерий до человека, для производства пригодных для использования форм химической энергии. Многие различные типы цепей переноса электронов специфичны для каждой формы жизни и энергетического метаболизма, который они используют: например, наши митохондрии содержат цепь переноса электронов, связанную с гетеротрофным (пищевым) энергетическим метаболизмом; Принимая во внимание, что растения имеют совершенно другую цепь переноса электронов, прикрепленную к ним. Фотосинтез (Получать энергию из солнечного света).

И во всем микробном мире организмы используют широкий спектр цепей переноса электронов, связанных с множеством различных процессов энергетического обмена. Но, несмотря на эти различия, авторы описывают данные нисходящих исследований о том, что этот тип метаболической стратегии использовался очень ранними формами жизни, и предлагают несколько моделей наследственных электронтранспортных цепей, которые можно проследить до очень ранней истории эволюции.

Они также изучили текущие восходящие доказательства того, что еще до того, как возникла жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, химия, подобная цепи переноса электронов, могла быть облегчена минералами и водами океанов ранней Земли. Вдохновленные этими наблюдениями, авторы намечают будущие исследовательские стратегии, которые сочетают в себе нисходящие и восходящие исследования древнейшей истории цепей переноса электронов, чтобы лучше понять древний энергетический метаболизм и происхождение жизни в более широком смысле.

Это исследование является кульминацией пятилетней предыдущей работы этой междисциплинарной, междисциплинарной группы под руководством Баржа из Лаборатории реактивного движения, которая финансировалась Лабораторией идей НАСА-NSF по происхождению жизни для изучения того, как метаболические реакции возникают в геологической среде на Земле. время раннее. Предыдущая работа группы была посвящена, например, взаимодействию специфических электронно-транспортных цепей, обусловленных металлами (во главе с Джессикой Вебер, научным сотрудником Лаборатории реактивного движения); как древние ферменты можно иметь Пребиотические химические вещества включены в их активные центры. (во главе с Гольдманом); И Метаболизм микробов в среде с очень ограниченной энергией (Во главе с Дугом ЛаРю из Университета Южной Калифорнии).

«Появление метаболизма — это междисциплинарный вопрос, поэтому нам нужна междисциплинарная команда для его изучения», — говорит Бардж. «В нашей работе использовались методы из химии, геологии, биологии и компьютерного моделирования, чтобы объединить эти подходы «сверху вниз» и «снизу вверх», и этот тип сотрудничества будет важен для будущих исследований метаболических путей пребиотиков».

Ссылка: «Электронно-транспортные цепи как окно в ранние стадии эволюции» Аарона Д. Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Исследование финансировалось Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства.