Възможно ли е биологичната еволюция да е започнала още преди появата на самия живот

Преди да възникне животът на нашата планета, много от физикохимичните процеси са били до голяма степен хаотични. Безброй малки съединения и полимери с различна дължина, изградени от още по-малки подединици, като базите в ДНК и РНК, се свързват по всевъзможни начини. За да настъпят химичните процеси, въз основа на които се изгражда животът, е трябвало да намалее хаосът в системите. Ново проучване на физици от университета „Ludwig-Maximilians“ в Мюнхен, под ръководството на Дитер Браун, посочва, че основните свойства на простите полимери и някои определени аспекти на пребиотичната среда могат да поставят началото на селективни процеси с цел намаляване на този хаос.

В свои по-стари изследвания екипът на Браун разглежда въпроса как пространството е придобило друг вид и в порестите вулканични скали на морското дъно са се оформили тесни камери, запълнени с вода. Техните наблюдения разкриват, че температурните разлики и конвективният феномен термодифузия, познат също като ефект на Соре, водят до локалното струпване на РНК вериги, в зависимост от своята дължина. Според Браун проблемът е, че последователността на базите в по-дългите молекули е напълно хаотична и безразборна.

Еволюиралите рибозими (РНК-базирани ензими) имат изключително специфична последователност от бази, която позволява на молекулите да се нагънат в определена форма, докато повечето олигомери, образувани на планетата през първия един милиард години от нейното съществуване, най-вероятно са се подреждали на случаен принцип.

Механизъм за предварителна селекция

Патрик Кудела, автор на новия доклад за изследването, споделя: „Общият брой на всички възможни последователности от бази е наистина огромен, което означава, че практически е невъзможно всички характеристики на сложните структури на функционалните рибозими или сравнимите с тях молекули да се обединят и групират на изцяло случаен принцип.“ Екипът от университета „Ludwig-Maximilians“ предполага, че удължаването на молекулите така, че да образуват по-големи „олигомери“ е постигнато с помощта на някакъв механизъм за предварителна селекция.

Около времето на възникване на живота познатите физични и химични процеси са били малко на брой и съвсем прости по своя характер, в сравнение със сложните механизми на репликация и делене на клетките. Ето защо учените смятат, че селекцията на секвенции вероятно се дължи на заобикалящата среда и свойствата на олигомерите.

Полимеризация и лигиране

Тук те поставят началото на своя задълбочен научен труд. За да се гарантира каталитичната функция и стабилността на олигомерите, последните трябва да образуват двойни вериги като добре познатите спираловидни ДНК структури. Всъщност това свойство е присъщо за много от полимерите, като то им позволява да създават комплекси от едноверижни и двуверижни сегменти. Едноверижните части могат да променят своята структура чрез два процеса.

Единият е полимеризация, по време на която веригите биват завършени с единични бази, така че да се получат двойни вериги.

Вторият е лигиране (свързване), при което по-дългите олигомери се свързват помежду си. В конкретния случай двуверижните и едноверижните части са вече формирани, което дава възможност на олигомера да продължи да расте.

Комплементарни бази аденин и тимин

Научният експеримент стартира с голям брой къси ДНК вериги, като в своя ранен модел на олигомерите учените използват само две комплементарни (допълващи се) бази – аденин и тимин. Браун допълва: „Предполагаме, че свързването на вериги със случайно образувани секвенции води до създаване на по-дълги вериги, чиито секвенции от бази вече не са така хаотични.“

Колегите на Браун анализират смесиците от секвенции по метода, използван за изследване на човешкия геном. Крайният резултат потвърждава, че ентропията на секвенциите, тоест степента на безпорядък или хаотичност в тях, наистина намалява по време на опитите им.

Изследователите успяват също така да установят причините за „самовъзникналия ред“. Голяма част от получените секвенции попадат в две категории: 70% аденин и 30% тимин или обратно. Браун пояснява: „Когато една от двете бази е в значително по-голямо количество, веригата не може да се нагъне сама. По този начин съвсем малко на брой вериги с по половината от всяка от двете бази успяват да се нагънат. Станахме свидетели как малки изкривявания в състава на късите ДНК вериги оставят своя ясен отпечатък, особено върху дългите вериги.“ Учените са изненадани от своите открития, защото се оказва, че една верига от само две различни бази със специфично съотношение се отличава по строго определени признаци от всички останали. Аналена Салдит, съавтор на проучването, подчертава, че само специално създадени алгоритми могат да разкриват толкова дребни, но важни детайли.

В обобщение, най-простите и същевременно основополагащи свойства на олигомерите и тяхната среда могат да послужат като основа за протичане на селективни процеси. Дори при съвсем опростените модели се вижда, че механизмите за селекция, които играят важна роля за растежа на веригите, могат да бъдат най-различни и да са резултат от комбинацията на множество фактори. Според Браун въпросните механизми за селекция са предпоставка за създаването на каталитично активни комплекси, каквито са рибозимите, което означава, че те са играели много важна роля при възникването на живота от хаоса.