Informatie

18.9: De oorsprong van het leven - Biologie


Om de oorsprong van het leven op onze aarde te verklaren, moeten verschillende problemen worden opgelost:

  • Hoe de organische moleculen die het leven definiëren, b.v. aminozuren, nucleotiden, werden gemaakt.
  • Hoe deze werden geassembleerd tot macromoleculen, b.v. eiwitten en nucleïnezuren, - een proces dat katalysatoren vereist.
  • Hoe deze zich konden voortplanten.
  • Hoe deze werden samengevoegd tot een systeem dat werd afgebakend van zijn omgeving (d.w.z. een cel).

Een aantal theorieën pakken elk van deze problemen aan. Wat het eerste probleem betreft, zijn vier scenario's voorgesteld. Organische moleculen:

  1. werden gesynthetiseerd uit anorganische verbindingen in de atmosfeer,
  2. vanuit de ruimte op aarde neerregenen,
  3. werden gesynthetiseerd bij hydrothermale bronnen op de oceaanbodem,
  4. werden gesynthetiseerd toen kometen of asteroïden de vroege aarde troffen.

Scenario 1: Millers experiment

Stanley Miller, een afgestudeerde student biochemie, bouwde het apparaat dat wordt getoond in figuur (PageIndex{1}). Hij vulde het met water (H2O), methaan (CH4), ammoniak (NH3) en waterstof (H2), maar geen zuurstof. Hij veronderstelde dat dit mengsel leek op de atmosfeer van de vroege aarde. Het mengsel werd in circulatie gehouden door continu te koken en vervolgens het water te condenseren. De gassen gingen door een kamer met twee elektroden met een vonk ertussen.

Aan het einde van een week gebruikte Miller papierchromatografie om aan te tonen dat de kolf nu verschillende aminozuren bevatte, evenals enkele andere organische moleculen. Nu wordt echter gedacht dat de atmosfeer van de vroege aarde was niet rijk aan methaan en ammoniak - essentiële ingrediënten in de experimenten van Miller. In de jaren sinds Millers werk zijn er vele varianten van zijn procedure uitgeprobeerd. Vrijwel alle kleine moleculen die met het leven worden geassocieerd, zijn gevormd:

  • 17 van de 20 aminozuren die worden gebruikt bij de eiwitsynthese, en alle purines en pyrimidines die worden gebruikt bij de nucleïnezuursynthese.
  • Maar abiotische synthese van ribose - en dus van nucleotiden - veel moeilijker geweest. Succes bij het synthetiseren van pyrimidine-ribonucleotiden onder omstandigheden die in de vroege aarde hadden kunnen bestaan, werd echter vermeld in het nummer van 14 mei 2009 Natuur.
  • En in 2015 rapporteerden scheikundigen in Cambridge, Engeland onder leiding van John Sutherland dat ze in staat waren geweest om voorlopers te synthetiseren van 12 van de 20 aminozuren en twee (van de vier) ribonucleotiden die door het leven worden gebruikt, evenals glycerol-1-fosfaat, een voorloper van lipiden. Ze creëerden al deze moleculen met alleen waterstofcyanide (HCN) en waterstofsulfide (H2S) bestraald met ultraviolet licht in aanwezigheid van minerale katalysatoren.

Scenario 2: Moleculen uit de ruimte

Astronomen hebben met behulp van infraroodspectroscopie een verscheidenheid aan organische moleculen in de interstellaire ruimte geïdentificeerd, waaronder methaan (CH4), methanol (CH3OH), formaldehyde (HCHO), cyaanacetyleen (HC3N) (die in vonkontladingsexperimenten een voorloper is van de pyrimidine cytosine), polycyclische aromatische koolwaterstoffen en anorganische bouwstenen zoals koolstofdioxide (CO2), koolmonoxide (CO), ammoniak (NH3), waterstofsulfide (H2S), en waterstofcyanide (HCN).

Er zijn verschillende meldingen geweest van het produceren van aminozuren en andere organische moleculen in laboratoria door het nemen van een mengsel van moleculen waarvan bekend is dat ze aanwezig zijn in de interstellaire ruimte, zoals ammoniak (NH3), koolmonoxide (CO), methanol (CH3OH) en water (H2O), waterstofcyanide (HCN) en het blootstellen aan een temperatuur dichtbij die van de ruimte (bijna het absolute nulpunt) en intense ultraviolette (UV) straling. Of de moleculen die het aardse leven vormden hier vanuit de ruimte zijn aangekomen, daar bestaat weinig twijfel over: organisch materiaal continu regent op de aarde (geschat op 30 ton per dag).

Als alternatief kunnen organische moleculen via meteorieten naar de aarde worden getransporteerd, zoals aangetoond met de Murchison Meteoriet die op 28 september 1969 in de buurt van Murchison, Australië viel. Deze meteoriet bleek een verscheidenheid aan organische moleculen te bevatten, waaronder: purines en pyrimidines, polyolen - verbindingen met hydroxylgroepen op een ruggengraat van 3 tot 6 koolstofatomen, zoals glycerol en glycerinezuur (suikers zijn polyolen) en de aminozuren vermeld in tabel (PageIndex{1}). De aminozuren en hun relatieve verhoudingen waren vrij gelijkaardig aan de producten gevormd in de experimenten van Miller.

Murchison-meteoriet in het National Museum of Natural History (Washington). (CC SA-BY 3.0;: Basiliekfresco).

Tabel (PageIndex{1}): Representatieve aminozuren gevonden in de Murchison-meteoriet. Zes van de aminozuren (blauw) komen in alle levende wezens voor, maar de andere (geel) komen normaal niet voor in levende materie hier op aarde. Dezelfde aminozuren worden geproduceerd in ontladingsexperimenten zoals die van Miller.
GlycineGlutaminezuur
Alanineisovaline
ValineNorvaline
ProlineN-methylalanine
AsparaginezuurN-ethylglycine

Besmetting?

De vraag is of deze moleculen die in de Murchison-meteoriet werden geïdentificeerd, eenvoudig terrestrische verontreinigingen waren die in de meteoriet terechtkwamen nadat deze op aarde was gevallen? Waarschijnlijk niet:

  • Sommige van de monsters werden op dezelfde dag verzameld en vervolgens met grote zorg behandeld om besmetting te voorkomen.
  • De polyolen bevatten de isotopen koolstof-13 en waterstof-2 (deuterium) in grotere hoeveelheden dan hier op aarde.
  • De monsters misten bepaalde aminozuren die in alle aardse eiwitten voorkomen.
  • Enkel en alleen L aminozuren komen voor in aardse eiwitten, maar de aminozuren in de meteoriet bevatten beide NS en L vormen (hoewel L vormen kwamen iets vaker voor).

Scenario 3: Hydrothermale ventilatieopeningen in de diepzee

Sommige diepzee hydrothermale bronnen lozen grote hoeveelheden waterstof, waterstofsulfide en koolstofdioxide bij temperaturen rond de 100°C. (Dit zijn geen "zwarte rokers".) Deze gassen borrelen omhoog door kamers die rijk zijn aan ijzersulfiden (FeS, FeS2). Deze kunnen de vorming van eenvoudige organische moleculen zoals acetaat katalyseren. (En het leven van vandaag hangt af van enzymen die Fe- en S-atomen op hun actieve plaatsen hebben.)

Scenario 4: Laboratoriumsynthese van nucleobasen onder omstandigheden die de impact van asteroïden of kometen op de vroege aarde nabootsen

Onderzoekers in de Tsjechische Republiek rapporteerden in 2014 dat ze erin waren geslaagd de abiotische synthese van adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en uracil (U) - de vier basen gevonden in RNA (een RNA-begin?) en drie van de vier gevonden in DNA. Ze bereikten dit door een mengsel van formamide en klei te bombarderen met krachtige laserpulsen die de verwachte temperatuur en druk nabootsten wanneer een grote meteoriet de aarde raakt. Formamide is een eenvoudige stof, CH3NEE, er wordt aangenomen dat het overvloedig aanwezig was op de vroege aarde en de vier elementen bevat die fundamenteel zijn voor al het leven.

Assembleren van polymeren

Een ander probleem is hoe polymeren - de basis van het leven zelf - kon worden geassembleerd.

  • In oplossing zou hydrolyse van een groeiend polymeer spoedig de grootte beperken die het zou kunnen bereiken.
  • Abiotische synthese produceert een mengsel van L- en D-enantiomeren. Elk remt de polymerisatie van de andere. (Dus bijvoorbeeld de aanwezigheid van NS aminozuren remmen de polymerisatie van L aminozuren (die hier op aarde eiwitten vormen).

Dit heeft geleid tot een theorie dat vroege polymeren werden geassembleerd op vaste, minerale oppervlakken die hen beschermden tegen afbraak, en in het laboratorium zijn polypeptiden en polynucleotiden (RNA-moleculen) met ongeveer ~50 eenheden gesynthetiseerd op minerale (bijvoorbeeld klei) oppervlakken.

Een RNA-begin?

Alle stofwisseling is afhankelijk van enzymen en tot voor kort bleek elk enzym een ​​eiwit te zijn. Maar eiwitten worden gesynthetiseerd uit informatie die is gecodeerd in DNA en vertaald in mRNA. Dus hier is een kip-en-ei-dilemma. De synthese van DNA en RNA vereist eiwitten. Dus eiwitten kunnen niet gemaakt worden zonder nucleïnezuren en nucleïnezuren kunnen niet gemaakt worden zonder eiwitten. De ontdekking dat bepaalde RNA-moleculen enzymatische activiteit hebben, biedt een mogelijke oplossing. Deze RNA-moleculen - ribozymen genaamd - bevatten zowel de kenmerken die nodig zijn voor het leven: opslag van informatie en het vermogen om als katalysator te werken.

Hoewel er in de natuur nog geen ribozym is gevonden dat zichzelf kan repliceren, zijn in het laboratorium ribozymen gesynthetiseerd die de assemblage van korte oligonucleotiden tot exacte complementen van zichzelf kunnen katalyseren. Het ribozym dient als zowel de sjabloon waarop korte stukken RNA ("oligonucleotiden" worden geassembleerd volgens de regels van basenparing en de katalysator voor het covalent koppelen van deze oligonucleotiden.

In principe zouden de minimale functies van het leven kunnen zijn begonnen met RNA en pas later namen eiwitten de katalytische machinerie van het metabolisme over en nam DNA het over als de opslagplaats van de genetische code. Verschillende andere bewijzen ondersteunen dit idee van een originele "RNA-wereld":

  • Veel van de cofactoren die zoveel rollen in het leven spelen, zijn gebaseerd op ribose; bijvoorbeeld:
    • ATP
    • NAD
    • DIK
    • co-enzym A
    • cyclische AMP
    • GTP
  • In de cel worden alle deoxyribonucleotiden gesynthetiseerd uit ribonucleotidevoorlopers.
  • Veel bacteriën regelen de transcriptie en/of translatie van bepaalde genen met RNA-moleculen, niet met eiwitmoleculen.

Reproductie?

Misschien was de vroegste vorm van reproductie een eenvoudige splitsing van het groeiende aggregaat in twee delen - elk met identieke metabolische en genetische systemen intact.

De eerste cel?

Om te kunnen functioneren, moet de machinerie van het leven worden gescheiden van zijn omgeving - een of andere vorm van extracellulaire vloeistof (ECF). Deze functie wordt geleverd door het plasmamembraan. De huidige plasmamembranen zijn gemaakt van een dubbele laag fosfolipiden. Ze zijn alleen doorlaatbaar voor kleine, ongeladen moleculen zoals H2O, CO2, en O2. Gespecialiseerde transmembraantransporters zijn nodig om ionen, hydrofiele en geladen organische moleculen (bijvoorbeeld aminozuren en nucleotiden) de cel in en uit te laten gaan.

Hetzelfde Szostak-lab dat de hierboven beschreven bevinding produceerde, meldde echter in het nummer van 3 juli 2008 van Natuur dat vetzuren, vetalcoholen en monoglyceriden - alle moleculen die onder prebiotische omstandigheden kunnen worden gesynthetiseerd - ook lipidedubbellagen kunnen vormen en deze spontaan kunnen assembleren tot ingesloten blaasjes.

In tegenstelling tot fosfolipideblaasjes, zijn deze

  • laat vanuit het externe medium geladen moleculen zoals nucleotiden toe
  • laat vanuit het externe medium hydrofiele moleculen zoals ribose toe
  • groeien door zelfassemblage
  • ondoordringbaar zijn voor, en dus vasthouden, polymeren zoals oligonucleotiden.

Deze arbeiders laadden hun synthetische blaasjes met een korte enkele streng deoxycytidine (dC) die gestructureerd was om een ​​sjabloon te bieden voor de replicatie ervan. Toen de blaasjes in een medium werden geplaatst dat (chemisch gemodificeerd) dG bevatte, gingen deze nucleotiden de blaasjes binnen en werden samengevoegd tot een streng van Gs die complementair was aan de matrijsstreng van Cs. Hier is dus een eenvoudig systeem dat een plausibel model is voor het creëren van de eerste cellen uit de oersoep van organische moleculen.

Van eencellige naar meercellige organismen

Deze overgang is waarschijnlijk het gemakkelijkst te begrijpen.

Verschillende koloniale flagellated groene algen geven een aanwijzing. Deze soorten worden koloniaal genoemd omdat ze eenvoudigweg bestaan ​​uit clusters van onafhankelijke cellen. Als een enkele cel van Gonium, Pandorina, of Eudorina geïsoleerd is van de rest van de kolonie, zal het wegzwemmen en eruit zien als een Chlamydomonas cel. Dan, terwijl het mitose ondergaat, zal het een nieuwe kolonie vormen met het karakteristieke aantal cellen in die kolonie.

(De figuren zijn niet op schaal getekend. Hun afmetingen variëren van Chlamydomonas met een diameter van ongeveer 10 µm - niet veel groter dan een menselijke rode bloedcel - tot Volvox waarvan de bol ongeveer 350 µm in diameter is - zichtbaar voor het blote oog.)

De situatie in Pleodorina en Volvox is anders. In deze organismen kunnen sommige cellen van de kolonie (de meeste in Volvox) niet zelfstandig leven. Als een niet-reproductieve cel wordt geïsoleerd uit een Volvox-kolonie, zal deze zichzelf niet reproduceren door mitose en uiteindelijk sterven. Wat is er gebeurd? Op de een of andere manier, tot nu toe onduidelijk, heeft Volvox de grens overschreden om eenvoudige koloniale organismen te scheiden van echt meercellige. In tegenstelling tot Gonium kan Volvox niet simpelweg worden beschouwd als een kolonie van individuele cellen. Het is een single organisme wiens cellen hun vermogen om zelfstandig te leven hebben verloren. Als een voldoende aantal van hen beschadigd raakt, sterft de hele celbol af.

Wat heeft Volvox gewonnen? Door afstand te doen van hun onafhankelijkheid zijn de cellen van Volvox specialisten geworden. Niet langer voert elke cel alle levensfuncties uit (zoals in koloniale vormen); in plaats daarvan specialiseren bepaalde cellen zich om bepaalde functies uit te voeren, terwijl andere functies aan andere specialisten worden overgelaten. Bij Volvox gaat dit proces niet verder dan dat bepaalde cellen zich specialiseren voor reproductie, terwijl andere, die zichzelf niet kunnen reproduceren, voldoen aan de behoeften aan fotosynthese en voortbeweging.

Bij complexere meercellige organismen gaat de mate van specialisatie veel verder. Elke cel heeft een of twee precieze functies om uit te voeren. Het is afhankelijk van andere cellen om alle andere functies uit te voeren die nodig zijn om het leven van het organisme en dus zijn eigen leven in stand te houden.

De specialisatie en taakverdeling tussen cellen is het resultaat van hun geschiedenis van differentiatie. Een van de grote problemen in de biologie is hoe differentiatie ontstaat tussen cellen, die allemaal zijn ontstaan ​​door mitose en dezelfde genen delen.

De genomen van zowel Chlamydomonas als Volvox zijn gesequenced. Hoewel de ene eencellig is en de andere meercellig, hebben ze niet alleen ongeveer hetzelfde aantal eiwitcoderende genen (14.516 in Chlamydomonas, 14.520 in Volvox), maar de meeste hiervan zijn homoloog. Volvox heeft slechts 58 genen die geen verwanten hebben in Chlamydomonas en nog minder unieke mRNA's.

Ooit hadden velen van ons verwacht dat een meercellig organisme als Volvox met zijn gedifferentieerde cellen en complexe levenscyclus veel meer genen zou hebben gehad dan een eencellig organisme als Chlamydomonas. Maar dat blijkt niet het geval te zijn.

Hoe deze schijnbare paradox te verklaren? Mijn gok is dat, net zoals we hebben gezien in de evolutie van dieren, we hier zien dat de evolutie van de complexiteit van het organisme niet zozeer een kwestie is van de evolutie van nieuwe genen maar eerder de evolutie van veranderingen in de controle-elementen (promotoren en versterkers) die bepalen hoe en waar de basistoolkit van eukaryote genen tot expressie zal worden gebracht.

Het bewijs is overtuigend dat al deze organismen naaste verwanten zijn; dat wil zeggen, behoren tot dezelfde clade. Ze illustreren hoe koloniale vormen kunnen ontstaan ​​uit eencellige en meercellige vormen uit koloniale.

De laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA)?

De 3 koninkrijken van het hedendaagse leven - archaea, bacteriën en eukaryoten - hebben allemaal veel overeenkomsten in hun metabolische en genetische systemen. Vermoedelijk waren deze aanwezig in een organisme dat voorouder was van deze groepen: de "LUCA". Hoewel er op dit moment niet genoeg gegevens zijn om LUCA te beschrijven, onthullen vergelijkende genomica en proteomics een nauwere relatie tussen archaea en eukaryoten dan beide delen met de bacteriën. Behalve natuurlijk de mitochondriën en chloroplasten die eukaryoten kregen van bacteriële endosymbionten. Of de endosymbionten werden verworven voor of nadat een geslacht van archaea een kern had gekregen - en dus de afstamming van eukaryoten was begonnen - is nog steeds onzeker.

Leven creëren?

Toen ik naar de universiteit ging (in 1949), schreef ik een essay waarin ik speculeerde over de mogelijkheid dat we op een dag een levend organisme zouden kunnen creëren uit niet-levende ingrediënten. Tegen de tijd dat ik klaar was met mijn formele studie biologie - nadat ik de ongelooflijke complexiteit van zelfs het eenvoudigste organisme had geleerd - concludeerde ik dat zo'n prestatie nooit zou kunnen worden bereikt.

Nu weet ik het niet zo zeker.

Verschillende recente ontwikkelingen suggereren dat we misschien dicht bij het creëren van leven komen. (Maar houd er rekening mee dat deze voorbeelden laboratoriummanipulaties vertegenwoordigen die niet noodzakelijk weerspiegelen wat er kan zijn gebeurd toen het leven voor het eerst verscheen.)

Voorbeelden:

  • Het vermogen om door een membraan omsloten blaasjes te creëren die kleine moleculen kunnen opnemen en deze kunnen assembleren tot polymeren die in de "cel" blijven.
  • Het vermogen om functionele ribosomen te assembleren - de structuren die de informatie die in het genoom is gecodeerd, omzetten in de eiwitten die het leven leiden - uit hun componenten.
  • In 2008 rapporteerden wetenschappers van het J. Craig Venter Institute (JCVI) (in Wetenschap 29 februari 2008) dat ze erin waren geslaagd een volledig bacterieel chromosoom te synthetiseren - met 582.970 basenparen - uitgaande van enkele deoxynucleotiden. De volledige sequentie van het genoom van Mycoplasma genitalium was al bekend. Met behulp van deze informatie synthetiseerden ze zo'n 10.000 korte oligonucleotiden (elk ongeveer 50 bp lang) die het hele genitaliumgenoom vertegenwoordigen en vervolgens - stap voor stap - deze samengevoegd tot langere en langere fragmenten totdat ze uiteindelijk het hele circulaire DNA-molecuul hadden gemaakt dat het genoom is .

    Kan dit in het cytoplasma van een levende cel worden geplaatst en het laten lopen?

    Hetzelfde team toonde vorig jaar (zie Wetenschap 3 augustus 2007) dat ze een volledig chromosoom van één soort mycoplasma in het cytoplasma van een verwante soort konden inbrengen en na verloop van tijd verloor de ontvanger zijn eigen chromosoom (misschien vernietigd door restrictie-enzymen die door het donorchromosoom werden gecodeerd) en begon hij het fenotype van de donor. Kortom, ze hadden de ene soort in de andere veranderd. Maar het donorchromosoom is gemaakt door de donorbacterie, niet gesynthetiseerd in het laboratorium. Er mag echter geen ernstig obstakel zijn om dezelfde genoomtransplantatie te bereiken met een chemisch gesynthetiseerd chromosoom.

    Ze hebben het gedaan! Hetzelfde team meldde op 20 mei 2010 in de online Wetenschap Express dat ze met succes een volledig synthetisch genoom hadden getransplanteerd - gebaseerd op dat van Mycoplasma mycoides — in de verwante soorten Mycoplasma capricolum. De ontvangende stam groeide goed en kreeg al snel het fenotype van de M. mycoides schenker.

  • In het nummer van 4 april 2014 van Wetenschap (Annaluru, N. et al.), meldde een grote groep onderzoekers - waaronder veel studenten aan de Johns Hopkins University - dat ze met succes het natuurlijke chromosoom 3 hadden vervangen in Saccharomyces cerevisiae (die 16 chromosomen heeft) met een volledig synthetisch chromosoom.

    Hun werkwijze:

    1. Chemisch synthetiseren 69- tot 79-nt oligonucleotiden die alle stukken van de bekende chromosoom 9-sequentie vertegenwoordigen (die 316.617 basenparen bevat) behalve voor bepaalde sequenties zoals transposons, veel introns en transfer-RNA-genen. Bovendien werden nieuwe, niet-inheemse sequenties zoals loxP-sites opgenomen om toekomstige manipulaties van het genoom te vergemakkelijken.
    2. Naai deze samen in blokken van ~ 750 basenparen. Deze stap is voltooid in vitro door studenten die deelnamen aan de "Build A Genome" -klas aan de Johns Hopkins.
    3. Introduceer deze in gistcellen die ze afbinden tot stukken DNA die 2-4 duizend basenparen bevatten.
    4. Introduceer deze stapsgewijs in gistcellen zodat ze de equivalente delen van het natieve chromosoom vervangen.
    5. Het resultaat: een giststam die met zijn nieuwe kunstmatige chromosoom (nu slechts 272.871 basenparen) net zo goed groeit als voorheen.


Bekijk de video: Stammen de mensen af van de apen? (November 2021).