Jak powstało życie?

Oto zestaw problemów biogenetycznych, z którymi przyjdzie nam się teraz zmierzyć:

Problem 1 Jak przebiegła synteza podstawowych cegieł budulcowych żywych komórek: aminokwasów, glukozy, rybozy, zasad azotowych będących składnikami RNA i DNA?
Problem 2 Co stanowiło składnik otoczki prakomórek, skoro synteza fosfolipidów jest skomplikowana i wymaga zaawansowanego aparatu enzymatycznego?
Problem 3 Skąd prakomórka czerpała energię i jaki był jej metabolizm?
Problem 4 DNA koduje informację genetyczną, ale do swej syntezy i replikacji wymaga białek. Białka katalizują też reakcje metaboliczne, a niektóre są budulcem komórki. Ale informacja o sekwencji białka jest zapisana w DNA. Co było pierwszym materiałem genetycznym i czym były pierwsze enzymy, skoro białka potrzebują DNA do powstania i odwrotnie?
Problem 5 Jak przebiegała replikacja pierwszych kwasów nukleinowych?
Problem 6 Jakie były pierwsze nici informacji genetycznej. W wyniku braku wspomagania przez białka, słabej stabilizacji wiązań między zasadami azotowymi, nieumiejętności rozpoznania początku odczytu, jakie musiały być pierwsze kodony?
Problem 7 Dlaczego w komórkach obserwuje się swoiste złamanie symetrii i w ich skład wchodzą właściwie zawsze D-cukry i L-aminokwasy (a nie na przykład L-cukry i D-aminokwasy)?
Problem 8 Jak powstał tRNA i pierwsze, prymitywne rybosomy do syntezy białek?
Problem 9 Jak powstał uniwersalny kod genetyczny?
Problem 10 Jak powstały chromosomy, zawierające ułożone na niciach DNA geny (zamiast istnienia każdego z osobna na oddzielnym kawałku DNA)?
Problem 11 Gdzie mogła powstać pierwsza prakomórka, aby przy jej stopniowym tworzeniu się składniki nie rozdyfundowywały?


LABORANTKA ZIEMIA

W zamierzchłych czasach – około 3,8 mld lat temu, atmosfera ziemska miała charakter redukujący. Geolodzy wiedzą to stąd, że skały pochodzące z tamtego okresu są słabo utlenione. W atmosferze tej znajdowały się prawie na pewno w dużych ilościach takie gazy jak: metan, amoniak, wodór, para wodna, formaldehyd.

W swoim słynnym doświadczeniu z 1953 r. S. Miller z Uniwersytetu w Chicago odtworzył przypuszczalne warunki panujące w ziemskiej atmosferze 3,8 mld lat temu. Do kolby wpuścił mieszaninę gazów: metanu, wodoru, amoniaku i pary wodnej i działał na nią wyładowaniami elektrycznymi, mającymi symulować wyładowania atmosferyczne.

W produktach reakcji odkrył duże ilości aminokwasów: glicyny, alaniny, kwasu asparaginowego, waliny. W zauważalnych ilościach produkowane były też: kwas glutaminowy, leucyna, izoleucyna, seryna i treonina. W mieszaninie poreakcyjnej stwierdzono też znikome ilości zasad azotowych: pirymidynowych i purynowych. Nie było w niej natomiast żadnych lipidów.

W reakcji chemicznej, tzw. reakcji formozowej, której substratem jest tylko formaldehyd, powstają monocukry w postaci racematów (czyli zarówno D jak i L).

n HCHO → CH2OH(CHOH)(n+2)CHO n = 0,1,2,3,4

Reakcja przebiega szybciej w obecności monocukrów, więc produkty reakcji powodują, że z czasem staje się ona coraz wydajniejsza. Wydajność produkcji rybozy w tej reakcji wynosi około 1%. Oto w miarę zadowalająca odpowiedź na postawiony problem 1.

Na skałach w tych odległych czasach istniały z pewnością wgłębienia, dołki, małe kałuże, okresowo zalewane opadami, bogatymi w produkty reakcji gazów w ziemskiej atmosferze.

Roztwory tych związków dzięki temu nie musiały być bardzo rozcieńczone, a nawet z czasem mogły zatężać się. Jaki byłby tego mechanizm? Jeśli do szklanki z roztworem soli będziemy dodawać dalej ten roztwór uzupełniając nim wodę, która wyparowała, to będziemy z czasem otrzymywać roztwór o coraz to większym stężeniu. To raczej w takich izolowanych zagłębieniach, kałużach, a nie na otwartych morzach przebiegł proces biogenezy (problem 11).