Основа - курс лекций профессора РАН - Александра Маркова.
Вопрос для начала поставлю так - почему абсолютное большинство планет шарообразное? Ну например в Солнечной системе все планеты это большие шары. Были ведь не настолько шарообразные, могли быть? Ответ - могли, но у планет которые были менее правильной формы, было менее стабильное вращение. Это принцип дарвиновского отбора буквально на космическом масштабе. Мы вокруг наблюдаем всё так хорошо работающее, потому что оно миллиарды лет выживало-сохранялось. А то что не сохранилось, мы наблюдать не можем - оно сгинуло, например планеты неправильной формы либо улетели из Солнечной системы, либо банально утопли в Солнце, ну или врезались в другие планеты и потом улетели осколками-кусками. А вообще у астрофизиков есть смутные догадки, что и мультивселенная по такому же принципу развивается.
Жизнь в основе своей это "повторяющее себя" соединение белков и кислот, с прочими углеводами. Вот это надо в голове держать, не отвлекаясь на изумительные глазки, ручки и умение рисовать картины. В базе люди либо размножаются, либо вымирают.
Дальше - жизнь ( во всяком случае на Земле, а другого нам не известно ) умеет размножаться только через систему копирования генов в ДНК. Одна проблема - ДНК без РНК вообще никак не работает, но РНК явно намного примитивнее по возможностям и сложности, чем ДНК. Но ДНК упорно копирует всю информацию про расположение-порядок генов на рнк и после через него размножается, ну это упрощённо говорю. Словно вместо флешки, ДНК насильно впихивает всё в упрощённом виде на дискету в 64 кб и после снова копирует флешку.
К тому же ДНК явно не могла прорваться как копирующая машинка через дарвинизм, она слишком сложна, многосоставная и кучу всего умеет, словно это мышка, а нам нужно найти как разом появилась мышка. Это не возможно. А если обратить внимание на РНК, всё становится понятнее.
РНК это максимально сложный повторитель-копирователь, который при этом смог эволюционировать буквально из неживых химических, автокаталитических реакций.
Это называется - неферментативная репликация. Проще говоря - это такие химически реакции, когда вещество себя копирует, имея разные другие вещества вокруг, но для этой реакции самокопирования не нужны ферменты.
Ферменты - это сложная белковая штука, которая ускоряет разные химические реакции, делает возможным их гарантированное протекание. Они синтезируется через РНК, причём каждый фермент капризный, он ускоряет реакцию только ту, под которую этот фермент синтезирован. А ещё ферменты могут дополнительно усиливаться через активаторы, которые делаются уже в связке с ДНК.
Если упростить - нужно найти такие химические вещества и реакции меж ними, что бы они сами булькали и без ферментов туда сюда молекулками соединялись, через ковалентные химические связи и копировались. Всё просто, но сложно.
Первый учёный, который вообще по пунктам проблему разобрал и сформулировал — Лесли Оргел. Он вывел ряд химический неферментативных реакций, даже добился копирования матрицы из 14 нуклеотидов гуанина и цитозина, те самые которые в составе ДНК и РНК. Работу вёл с 1980-х, но упёрся в потолок науки, которую сам же и двигал, такое бывает почти всегда. Устал и в 2004 даже написал, что не получается каменный цветок, мол видать не туда я копаю.
Упавшую было мысль подхватил нобелевец — Джек Шостак. Он развил идеи Оргела, ушёл от попытки найти репликаторы просто в каплях воды, которые получаются от вулканов‑гейзеров. Шостак развил идею в сторону зарождения «само‑повторителей» в каплях жира — в воде заключённой в липидную мембрану.
Так решается вопрос — как самоповторители смогли, после начала своей химической реакции в каплях воды, вылезти и успешно эволюционировать вне полостей рядом с вулканами. Причём им надо было как то впихнуться в липидные‑жировые оболочки, что по химии крайне не понятно как сделать.
А так, химия самокопирования началась внутри готовой полуклетки — жир что‑то пускает, что‑то не пускает, а что‑то выпускает из этой капли. Можно буквально в большом озере каком‑то свою ещё не живую, но копирующую химию начать, получая вкусные и полезные вещества через жировую плёнку.
Дальше начались новые задачи. Липиды откуда, это тоже сложная жировая химия? Годятся как выяснилось — жирные кислоты. Шостак самокритичен и сам вывел 8 проблем неферментативной репликации РНК. Вывел и их начали усиленно решать.
Первая проблема — региноспецифичность — молекулы рибозы через фосфорную кислоту соединяются друг с другом. Но нужно для правильной цепи, что бы из 5 атомов углерода в рибозе, 3 атом углерода одной рибозы, соединился всегда с 5 атомом углерода в другой рибозе.
Но эта тонкая химия работает отлично и точно, ПРИ НАЛИЧИИ ФЕРМЕНТОВ. Как только запускали без фермента, получались частые ошибки — с равной вероятностью новый нуклеотид цеплялся к 3 и к 2 атомам углерода. По идее это мешает наследуемости и появлению работающих рибозимов.
Научно докопались — одна часть рибозимов, в результате этой химии, делается матрицами, а другая лучше сворачивается в трёхмерную структуру. Матрица отлично умеет копироваться, а трёхмерные структуры с трудом копируются сами. Без наличия такой вариации, ещё не живой, но уже копирующей саму себя химии ( без ферментов ), не получается дарвинизм‑естественный отбор и не получается впихнуть две функции в один рибозим.
То что казалось проблемой, к 2013 году оказалось выходом дальше. Мёртвая химия умеет себя эффективно копировать и даёт площадку для эволюции.
Вторая проблема — высокая температура плавления РНК дуплексов. Вот у нас получились первичные РНК‑пары, но что бы они усложнились, им надо раз за разом копироваться, снова и снова, миллиарды раз. Нестойкие, не удобно устроенные вымрут, стойкие продолжат дальше копирование.
Думали так — мол гейзер то плевался кипятком, а потом капли с РНК охлаждались и химия шла. Проблема — как в кипятке и таком ужасе останется целой даже самая не капризная оболочка из жирных кислот? Но если будет совсем горячо, как решить проблему? Оказывается первая проблема отвечает на вторую — «неправильные» связи региноспецифичности, уменьшают температуру для копирования РНК дуплексов. Уже не нужен кипяток, достаточно чего‑то в пределах 60 — 80 градусов, жирные кислоты такую температуру держат.
Третья проблема — при самокопировании без ферментов, доля ошибок при копировании намного выше, чем при наличии ферментов. Это прям кость в горле была — ведь ресурсов всегда ограничено, если наплодить много‑много не рабочих копий, кончится в итоге ресурс вокруг копирователя и копирователь в итоге сдохнет, не пройдёт отбор — порог Эйгена.
Для успешного копирования нужно, что бы на 50 нуклеотидов не было ошибок.
Ответ химически прост. Для начала в современных клетках есть транспортные РНК — антикодоны, они считывают генетический код, и в них встречается нуклеотиды Ти‑Уритин и Селено‑Уритин. Они повышают точность передачи информации и являются древними остатками ещё не живой эволюции, для этой химии и повышения её точности, не нужны полимеразы — мир Пре‑РНК.
Второе — вот неферментативная реакция РНК прошла, в части копий нуклеотид неправильно прицепился — ошибка получилась. Копирование таких ошибочных копий замедляется, а те кто скопировался точно — быстрее копируются. Получается снова принцип Дарвинизма.
Четвёртая проблема — скорость самокопирования неферментативнного. 1 нуклеотид в 1 час цепляется без ферментов. При такой скорости, матрицы для копирования разваливаются до присоединения очередного нуклеотида
Ответ — короткие (по 2–5 штук ) комплиментарные олигонуклеотиды спонтанно образовываются на матрицах. Это как бы отходы копирования.
Пятая проблема - активированные нуклеотиды не стойкие в водной среде, без ферментов.
А что если вся эта неживая химия, как сказано выше — развивалась не просто в воде, а в проточной воде, мимо капелек жировых, внутри которых шла химия — носились новые и новые активированные нуклеотиды, ну скажем ручейки перетекали из одного пруда в другой и всё это рядом с небольшими вулканами — бульк, буль, бульк без конца.. Земля то была очень тёплой миллиарды лет назад, прудов было много, все тёплые и кислорода не было, окисления такого не было. Таким образом нуклеотиды получали новые и новые дозы веществ, для копирования ускоренного.
Шестая проблема — для протекания неферментативного копирования нужны двухвалентные ионы магния или цинка — это катализаторы химической реакции, без них нельзя. Желательно, нужна высокая концентрация этих веществ. Но они как «гормон роста», буквально всё ускоряют рядом, значит простые одноцепочечные РНК деградируют быстрее и не успевают стать базой для нового копирования. К тому же ионы металлов разрушают те самые липидные‑жировые стенки, окружающие эту химию копирования. В довесок ионы повышают температуру плавления РНК дуплексов и возвращают ко второй проблеме.
Решение — хелаторы. Это молекулы, которые могут вступать во взаимодействие с ионами магния или цинка, как бы обхватывая их с разных сторон и оставляя свободным лишь часть иона. Это снижает агрессивную активность иона металла, но не убирает её полностью. Да, хелат железа например, известный всем микроэлемент в баночке... Древняя и совсем не живая химия, незаменимая для будущей живой копировальни.
Седьмая проблема — вот все прошлые проблемы прошли, копирование прошло, а комплементарные цепочки обратно слиплись. Причём слипание может идти быстрее нового копирования — то есть реакция копирования останавливается.
Можно слишком сложно решить — мол случайно молекула РНК сворачивается в клубок со шпильками и она конечно не слипнется обратно, но и копироваться без ферментов такое может с трудом. Ещё можно снизить долю РНК матриц, но тогда реакция внутри жировой капли станет совсем маловероятной и необоримо медленной.
Ответ простой и рабочий — снова олигонуклеотиды ( 2–5 нуклеотидов ), из ответа на 4 вопрос. К разделившимся только что цепочкам, цеплялись олигонуклеотиды и делали невозможным обратное слипание. А ещё оликонуклеотиды стимулируют новый и новый процесс копирования — могут нарастать на 3 концах. Единственное условие — олигонуклеотидов должно быть много в растворе, внутри жировой капли.
Восьмая проблема — праймеры. На сегодня неферментативная репликация не может идти на Земле — у нас везде окисления со всех сторон, особенно от кислорода и любые «удобные и вкусные» соединения либо окисляются сразу, либо пожираются уже имеющейся жизнью.
Реакции по неферментативному копированию понятное дело ведут только внутри лабораторий. И пока эти реакции не получается запускать без праймеров — это одноцепочечная молекула РНК, длиной 6 — 50 нуклеотидов. В ДНК тот же принцип, там ещё фермент праймаза участвует.
В современной ДНК — праймеры для синтеза ДНК сделаны из РНК. Ещё один указатель на то, как всё начиналось.
Но для копирования РНК вне ДНК, тоже нужен праймер. Откуда его взять? Нужен короткий олигонуклеотид — но они не пролезают через жировые плёнки, если нет транспортной системы химической, которой на простом, не живом уровне быть не могло.
Точного ответа пока нет, ну надо добавить что исследования ведутся прицельно только 20 лет. Александр Марков выдвинул свою теорию.
Полиндромные повторы — это полиндромная система РНК. Эта теория объясняет как РНК полиндромы, могут обходиться вообще без праймеров и размножаться самостоятельно. Полиндромы могут размножаться с меньшим числом ошибок, в силу упрощённой трёхмерной схемы.
Эта схема даёт возможность полиндромам размножаться очень долго и относительно часто, а значит будут разные варианты и просто статистически, из триллионов вариантов, некоторые будут похожи на примитивные рибозимы и реакция размножения начнёт обретать ещё более скоростной режим. Главное — наличие жировой оболочки, приток периодический сильно тёплой воды с веществами и среда на миллионы лет для таких размножений. На Земле ранней это было очень вероятно.
То что подобная схема была в начале эволюции жизни — выводится из наличия транспортной РНК. В необычной структуре этих РНК, заложена возможность разной «укладки» нуклеотидов, из которых она состоит.
Это не жизнь в прямом смысле, система такая была крайне проста по сравнению с любой амёбой. Но это возможность размножения долгого и возможность начала дарвиновского отбора. Не живая химия, но уже размножается через автокаталитический процесс.
Современная химия нашла ряд реакций, которые были возможны буквально без любой сложной органики, скажем фосфорилирование нуклеозидов может идти при помощи рибозимов, а может идти при наличии минерала — гидроксилапатита, плюс немного солей меди и нагрев до 80 градусов.
Нуклеозиды это те самые — аденин, гуанин, тимин и прочие. В 2017 году смогли отследить абиотический синтез пуриновых и пиримидиновых рибонуклеозидов в водных микрокаплях — https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5 776 833/ Abiotic synthesis of purine and pyrimidine ribonucleosides in aqueous microdroplets.
Цитата — Мы демонстрируем общий путь синтеза рибонуклеозидов, как пуриновых, так и пиримидиновых оснований, с использованием абиотического пути утилизации в микрокапельной среде с двухвалентным ионом магния (Mg2 + ) в качестве катализатора. Пуриновые и пиримидиновые рибонуклеозиды образуются одновременно в одних и тех же условиях, что предполагает возможный сценарий спонтанного образования случайных рибонуклеозидов, необходимых для генерации различных типов примитивных РНК.
Водные микрокапли (в среднем <1,3 мкм в диаметре), содержащие 15 мМ d ‑рибозы, 15 мМ фосфорной кислоты и 5 мМ азотистого основания (урацила, аденина, цитозина или гипоксантина), распыляются электрораспылением из капилляра при +5 кВ в масс‑спектрометр при комнатной температуре и давлении 1 атм, с 3 мМ двухвалентного иона магния (Mg2 + ) в качестве катализатора. Масс‑спектры показывают образование рибонуклеозидов, включающих четырёхбуквенный алфавит РНК, с выходом 2,5% уридина (U), 2,5% аденозина (A), 0,7% цитидина © и 1,7% инозина (I) за время пролёта ∼50 мкс. В случае уридина — катализатор не требуется. Водный раствор, содержащий гуанин, невозможно получить в тех же условиях, учитывая его крайнюю нерастворимость в воде. Однако инозин может образовывать пары оснований с цитидином, заменяя гуанозин. Таким образом, полный набор рибонуклеозидов, необходимых для образования пурин‑пиримидиновых пар оснований AU и IC, спонтанно генерируется в микрокаплях воды в аналогичных мягких условиях.
Итого — наличие банального иона магния и вот есть катализатор для химии, в результате которой получатся строительные блоки. Они будут хаотически плавать‑плавать, а потом, учитывая что их некому жрать и окислять, соединятся снова через химию, в цикл других реакций и соединений.
Гидроксилапатит — это 50% массы наших костей и 96% массы нашей эмали. То бишь он не просто легко доступен — он буквально везде в природе, вал его. В итоге при подробном анализе именно простой химии и простых веществ, оказалось что если планета свободна от жизни, неживая химия может эволюционно дойти до живой..
Не нужны оказались даже кометы с некими загадочными «протожизненными клетками» и Сеятели Вечности не нужны. Планета должна просто быть такой, какой бы Земля миллиарды лет назад — много воды, много вулканов и веществ из них, размеры планеты не слишком велики.
