Úvod Magazín Připravujeme Genetický převrat: A minerální počátky života

Genetický převrat: A minerální počátky života

Zde je zveřejněn překlad článku bez provedené korektury.
Nyní pracujeme na odborných a jazykových korekturách a na přípravě grafiky.

Link na článek v angličtině: creation.com/rna

Quotable Quote, Cairns-Smith

Dr. Graham Cairns-Smith, fyzikální chemik, je známý svou bizarní teorií, podle níž byly prvními živými organismy jílové minerály počátků života. [Aktualizace: nedávný výzkum ukázal další potíže s touto myšlenkou: Test Darwinovy myšlenky teplého rybníka, 13. února 2006:

„Profesor Deamer uvedl, že aminokyseliny a DNA, ‚stavební kameny‘ života, a fosfáty, které jsou další nezbytnou složkou, ulpívají na povrchu jílových částic ve vulkanických jezírkách.

„Důvodem, proč je to důležité, je předpoklad, že jíl podporuje zajímavé chemické reakce související se vznikem života,“ vysvětlil.

„V našich pokusech se však organické sloučeniny tak silně přichytily na částice jílu, že nemohly projít žádnou další chemickou reakcí.“]

Není však tolik známo, že prof. Cairns-Smith je k těmto obskurním myšlenkám nucen obrovskými chemickými obtížemi hlavních teorií chemické evoluce, jako je například svět RNA (viz také Svět RNA: Kritika). Problémy se získáváním nukleových kyselin v chemickém prostředí (bez živých buněk) popisuje takto:

Nepřesvědčivost previtální nukleové kyseliny

Pokud je těžké si představit polypeptidy nebo polysacharidy v prapůvodních vodách, je ještě těžší si představit polynukleotidy. Millerův experiment však měl silný vliv na vědeckou představivost. Při čtení některých publikací o vzniku života (včetně mnoha elementárních textů) lze snadno nabýt dojmu, že bylo dobře prokázáno, že nukleotidy jsou pravděpodobnou součástí prapůvodní polévky, a tudíž že replikace nukleových kyselin před vznikem života je přesvědčivou spekulací založenou na výsledcích experimentů.

V této oblasti bylo skutečně provedeno mnoho zajímavých a podrobných experimentů. Význam této práce však podle mého názoru nespočívá v tom, že by prokázala, jak mohly nukleotidy vzniknout na pravěké Zemi, ale právě naopak: díky těmto experimentům můžeme vidět mnohem podrobněji, než by jinak bylo možné, proč jsou pravěké nukleové kyseliny velmi nepravděpodobné.

Ukažme si některé obtíže:

  1. Za prvé, jak jsme viděli, není ani jasné, zda by na primitivní Zemi vznikly a udržely se organické molekuly. Nejvýše můžeme předpokládat, že přinejmenším na zvláštních místech mohla probíhat předživotní organická chemie.
  2. Za druhé, vysokoenergetické prekurzory purinů a pyrimidinů musely vzniknout v dostatečně koncentrované formě (například alespoň 0,01 M HCN).
  3. Za třetí, musely nastat vhodné podmínky, aby reakce poskytly znatelné výtěžky alespoň dvou bází, které se mohou navzájem párovat.
  4. Za čtvrté, tyto báze musely být odděleny od nepřehledné změti podobných molekul, které by rovněž vznikly, a roztoky musely být dostatečně koncentrované.
  5. Za páté, na některém jiném místě se musela vytvořit koncentrace formaldehydu vyšší než 0,01 M.
  6. Za šesté, tento nahromaděný formaldehyd musel oligomerizovat na cukry.
  7. Za sedmé, cukry musely být nějakým způsobem odděleny a rozloženy, aby se dosáhlo středně dobré koncentrace například D-ribózy.
  8. Za osmé, báze a cukry se musely spojit.
  9. Za deváté, musely být podníceny k reakci za vzniku nukleosidů. (Není znám žádný způsob, jak tuto termodynamicky náročnou reakci ve vodném roztoku uskutečnit: purinové nukleosidy byly vyrobeny syntézou v suché fázi, ale ani tato metoda nebyla úspěšná pro kondenzaci pyrimidinových bází a ribózy za vzniku nukleosidů (Orgel & Lohrmann, 1974).)
  10. Za desáté, ať už je způsob spojení báze a cukru jakýkoli, musí být mezi správným atomem dusíku báze a správným atomem uhlíku cukru. Tento spoj fixuje pentózový cukr jako alfa nebo beta-anomer buď furanózové, nebo pyranózové formy (viz strana 29). U nukleových kyselin to musí být beta-furanóza. (Při výše uvedených syntézách purinových nukleosidů v suché fázi byly všechny čtyři tyto izomery přítomny, přičemž správná struktura nikdy nepřesáhla 8 %.)
  11. Za jedenácté, fosforečnany musely být nebo nyní musejí být přítomny v přiměřených koncentracích. (Koncentrace v oceánech by byla velmi nízká, takže musíme myslet na zvláštní situace – odpařující se laguny a podobné věci (Ponnamperuma, 1978).)
  12. Za dvanácté, fosfát musí být nějakým způsobem aktivován – například jako lineární nebo cyklický polyfosfát – aby byla možná (energeticky vzestupná) fosforylace nukleosidu.
  13. Za třinácté, pro výrobu standardních nukleotidů je třeba fosforylovat pouze 5’hydroxyl ribózy. (V reakcích v pevném stavu s močovinou a anorganickými fosforečnany jako fosforylačním činidlem byl tento druh na počátku dominantní (Lohrmann & Orgel, 1971). Při delším zahřívání vzniká jako hlavní produkt cyklický nukleosid 2′,3′-fosfát, ačkoli vznikají také různé deriváty dinukleotidů a nukleosidové polyfosfáty (Osterberg, Orgel & Lohrmann. 1973).)
  14. Za čtrnácté, pokud již k aktivaci nedošlo dříve – například jako cyklický 2′,3′-fosfát – nukleotidy musí být nyní aktivovány (například polyfosfátem; Lohrmann, 1976) a musí být vytvořen přiměřeně čistý roztok těchto druhů o přiměřené koncentraci. Případně musí být nyní do systému přiveden vhodný spojovací prostředek.
  15. Za patnácté, aktivované nukleotidy (nebo nukleotidy se spojovacím činidlem) musí nyní polymerovat. Zpočátku se tak muselo dít bez existující polynukleotidové předlohy (to se ukázalo jako velmi obtížné simulovat (Orgel & Lohrmann. 1974)); co je však důležitější, muselo k tomu dojít na již existujících polynukleotidech, pokud měla být klíčová funkce přenosu informace na dceřiné molekuly dosažena abiotickými prostředky. I to se ukázalo jako obtížné. Orgel & Lohrmann uvádějí tři hlavní třídy problémů:
    • Bylo sice prokázáno, že deriváty adenosinu vytvářejí stabilní šroubovicové struktury s poly(U) – ve skutečnosti se jedná o trojité šroubovice – a že se tím zvyšuje kondenzace kyseliny adenolinové buď s adenosinem, nebo s jinou adenolinovou kyselinou – hlavně na di(A), ale stabilní šroubovicové struktury se nevytvářely, pokud se jako templát použil poly(A) nebo poly(G).
    • Bylo obtížné najít vhodný prostředek pro vytváření internukleotidových vazeb. Ve výše popsaných experimentech byly použity speciálně navržené karbodiimidy rozpustné ve vodě, ale očekávané předem aktivované nukleotidy – ATP nebo cyklické 2′,3′-fosfáty – byly neuspokojivé. Úspěšnější byly například nukleosidové 5′-fosforimidazolidy, jejichž syntéza však nyní vyžaduje další kroky a dodávku imidazolu (Lohrmann & Orgel, 1978).
    • Mezinukleotidové vazby vytvořené na templátu jsou obvykle směsí 2′-5′ a normálních 3′-5′ typů. Často převažují vazby 2′-5′, i když bylo zjištěno, že Zn2+, který působí jako účinný katalyzátor templátově řízené oligomerizace guanosin 5′-fosforimidazolidu, vede také k preferenci 3′-5′ vazeb (Lohrmann, Bridson a Orgel, 1980).
  16. Za šestnácté, fyzikální a chemické prostředí musí být po celou dobu vhodné – například pH, teplota, M2+
  17. Za sedmnácté, všechny reakce musely probíhat mimo dosah ultrafialového slunečního záření, tedy nejen mimo jeho přímé, vysoce destruktivní účinky na molekuly podobné nukleovým kyselinám, ale také mimo dosah radikálů produkovaných slunečním zářením a různých déle žijících reaktivních forem produkovaných těmito radikály.
  18. Za osmnácté, na rozdíl od polypeptidů, u nichž si lze snadno představit funkce nepřesně vytvořených produktů (kapslí, iontoměničů atd.), musí genetický materiál fungovat poměrně dobře, aby byl vůbec k něčemu užitečný – jinak rychle vypustí všechny informace, které se mu podařilo nashromáždit.
  19. Za devatenácté, to, co je zde požadováno, není nějaká nahodilá jednorázová událost: není pravda říkat „stačí, že se to stalo jednou“. Celé zařízení muselo být udržováno možná miliony let: přinejmenším spolehlivý způsob výroby aktivovaných nukleotidů.

Možná si teď řeknete, že existují alternativní způsoby vzniku nukleotidů a že na rané Zemi možná existoval nějaký geochemický způsob. To, co víme o experimentálních obtížích při syntéze nukleotidů, však hovoří proti takovému předpokladu. Nukleotid je příliš složitá a metastabilní molekula na to, aby bylo možné očekávat snadnou syntézu.

Možná by se dalo polemizovat o devatenácti problémech, které jsem vybral; sám ochotně přiznávám, že ve zvoleném pořadí operací je jistá svévole. Pokud je však devatenáctka jako číslo součtu nepravděpodobností špatně, je to hlavně proto, že je to číslo příliš malé. Pokud byste se podrobněji zabývali procesem, jako je čištění meziproduktu, našli byste mnoho vedlejších operací – promývání, změny pH atd. (Vzpomeňte na Merrifieldův stroj: pro jednu celkovou reakci, při níž vzniká jedna peptidová vazba, bylo zapotřebí asi 90 různých operací.)