Prostsze początki życia, Robert Shaphiro

Niezwykłe odkrycia rodzą niezwykłe stwierdzenia. James Watson wspomina, że gdy tylko z Francisem Crickiem ustalili, jaka jest przestrzenna budowa kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), Crick "jak na skrzydłach wleciał do pubu Eagle, by ogłosić wszem i wobec, że odkryliśmy tajemnicę życia". Rozszyfro- wana struktura - elegancka podwójna helisa - zasługiwała na tak entuzjastyczne przyjęcie. Umożliwia ona bowiem przechowywanie informacji w języku, w którym cztery cząsteczki chemiczne, zasady azotowe, odgrywają taką samą rolę, jak 26 liter alfabetu w języku angielskim.

Ponadto informacja jest zapisana w dwóch długich łańcuchach, a każdy z nich określa, co znajdzie się w drugim. To sugeruje mechanizm powielania informacji: nici podwójnej helisy DNA rozplatają się, a nowe elementy budulcowe, z których składa się DNA, czyli nukleotydy zawierające zasady, układają się wzdłuż rozdzielonych nici i łączą ze sobą. W miejsce jednej helisy powstają dwie, każda będąca wierną repliką oryginału.

Dokonanie Watsona i Cricka zapoczątkowało lawinę odkryć dotyczących mechanizmów działania komó- rek, a nowa wiedza dała impuls do spekulacji na temat początków życia. Laureat Nagrody Nobla Hermann Joseph Muller napisał, że materiał genetyczny to "żyjące tworzywo, współczesny reprezentant pierw- szych przejawów życia", opisywanych przez Carla Sagana jako "prymitywny, swobodny nagi gen w roztworze materii organicznej". (W tym kontekście "organiczna" oznacza związki węgla, zarówno budujące organizmy, jak i te, które w nich nie występują). Zaproponowano też wiele definicji życia. Stwierdzenie Mullera jest zgodne z tzw. definicją NASA: życie to samopodtrzymujący się układ chemiczny, który może ulegać darwinowskiej ewolucji.

Richard Dawkins tak opisał początki tej najwcześniejszej formy życia w swojej książce Samolubny gen: "Aż pewnego razu całkiem przypadkowo powstała cząsteczka o szczególnych własnościach. Będziemy ją nazywać "replikatorem". Nie musiała być wcale ze wszystkich największa ani najbardziej skompliko- wana, odznaczała się wszakże niezwykłą cechą: mogła tworzyć swoje własne kopie"*. Kiedy Dawkins pisał te słowa 30 lat temu, najlepszym kandydatem do tej roli wydawał się DNA. Później naukowcy zwrócili się w stronę innych cząsteczek, które mogły być najwcześniejszymi replikatorami, ale ja i wielu innych sądzimy, że oparcie modelu początków życia na pierwotnym replikatorze jest obarczone błędem. Wolimy inną ideę, która wydaje się bardziej prawdopodobna.

Kiedy światem rządził RNA

KONCEPCJA DONIOSŁEJ ROLI DNA szybko okazała się kontrowersyjna. Jego replikacja nie może zajść bez pomocy białek - związków należących do grupy dużych cząsteczek, których budowa chemiczna bardzo różni się od DNA. Co prawda, i białka, i DNA są łańcuchami połączonych ze sobą małych elementów, ale DNA jest zbudowany z nukleotydów, natomiast białka - z aminokwasów. Białka to komórkowe woły robocze. Najbardziej znani ich przedstawiciele, enzymy, przyśpieszają reakcje chemiczne, które bez nich zachodziłyby zbyt wolno, by organizmy miały z nich pożytek. Białka używane dziś przez komórki są budowane według instrukcji zakodowanych w DNA.

Powyższy opis przywodzi na myśl znany problem: co było pierwsze, jajko czy kura? DNA zawiera przepis na budowę białka. Ale tej informacji nie da się wykorzystać ani skopiować bez pomocy białek. Zatem która z dużych cząsteczek pojawiła się najpierw: białko (kura) czy DNA (jajko)?

Możliwe rozwiązanie pojawiło się wraz z wkroczeniem na arenę kolejnego zawodnika - kwasu rybonukle- inowego, czyli RNA. Jest on zbudowany z nukleotydów, podobnie jak DNA, ale okazał się wyjątkowo uniwersalny i w naszych komórkach odgrywa wiele różnych ról. RNA jednego typu przenosi informacje z DNA do struktur produkujących białka, rybosomów. RNA innych typów wchodzą w skład rybosomów lub współdziałają z nimi podczas syntezy białek. Wypełniając swoje rozliczne obowiązki, RNA może przyjmo- wać formę podwójnej helisy, i wtedy upodabnia się do DNA, albo zwiniętej pojedynczej nici, czym bardziej przypomina białka.

Na początku lat osiemdziesiątych naukowcy odkryli rybozymy - cząsteczki RNA działające jak enzymy. Wydawało się, że pytanie o jajko i kurę doczekało się prostej odpowiedzi: życie zaczęło się wraz z powstaniem pierwszej samokopiującej się cząsteczki RNA. W słynnym artykule opublikowanym w 1986 w Nature noblista Walter Gilbert napisał: "Można wyobrazić sobie świat RNA zawierający jedynie cząsteczki RNA, które służą do katalizowania syntezy samych siebie. [...] Pierwszy etap ewolucji dotyczy więc cząsteczek RNA wykazujących aktywność enzymatyczną, niezbędną do złożenia swoich kopii ze składników nukleotydowej zupy". W tej wizji pierwsza samoreplikująca się cząsteczka RNA, wyłaniająca się z materii nieożywionej, realizowała wszystkie te funkcje, które teraz pełnią RNA, DNA i białka.

Hipotezę, że w ewolucji życia RNA pojawił się przed białkami i DNA, wspierały dodatkowe poszlaki. Na przykład wiele reakcji enzymatycznych wymaga uczestnictwa małych cząsteczek zwanych kofaktorami. Te kofaktory często zawierają rybonukleotyd, który jednak, jak się wydaje, nie pełni żadnej funkcji. Uznano, że takie struktury to "molekularne skamieniałości", relikty świata, w którym biochemią rządził RNA, bez udziału DNA czy białek.

Jednak ta i inne poszlaki wspierają tylko tezę, że RNA pojawiło się przed DNA i białkami. Nic natomiast nie mówią o początkach życia, które mogą się datować na okres poprzedzający powstanie RNA, kiedy niepodzielnie panowały inne cząsteczki. Naukowcy niestety na ogół nie rozdzielają tych dwóch aspektów i oba obejmują jednym pojęciem "świat RNA". W tym tekście będę stosować nazwę "najpierw RNA" na określenie hipotezy, że powstanie RNA było kluczowe dla powstania życia, aby odróżnić ją od znacznie mniej istotnego przypuszczenia, że RNA po prostu powstał wcześniej od DNA i białek.

Źródło: Świat Nauki.