Кокошката или яйцето?
Неразрешеният проблем на биологията „кокошката или яйцето?“. Откъде идва животът?
Биологията винаги е имала проблем с кокошката или яйцето, или кое от тях всъщност произхожда от другото. Два вида молекули са от съществено значение за живота. Клетките съдържат протеинови молекули. Te изпълняват повечето биохимични и физически функции. Клетките също съдържат ДНК и РНК молекули. Te носят информацията за плана за създаване на повече клетки. Когато животът се е появил на Земята преди 3,5 милиарда години, кое е било първо: функцията или информацията? Това е основен нерешен проблем за това как биологията е възникнала от пребиотичната химия.
Еволюцията на Дарвин
Някои хора смятат, че животът за първи път е започнал – наречете го “Ден първи” – от РНК. Това е така, защото някои РНК молекули могат да изпълняват двойна функция и да действат като протеини. Но, протеините са на първо място. Гледната точка за първо място на протеините помага да се разреши друга голяма мистерия: откъде идва еволюцията на Дарвин? Искаме да знаем не само каква форма на материя е възникнала в Ден първи. Интересува ни защо тази материя ще продължи да съществува и да се адаптира, и да продължи напред в Ден Втори, Ден Трети и след това.
Дарвинистката еволюция е неумолимият стремеж на биологията в цялата планета да се адаптира, иновира и променя. Чрез оцеляването на най-силните, организмите се състезават да спечелят ресурси. Създават други организми и се адаптират към средата си. Още от Чарлз Дарвин преди 160 години знаем много за това как работи еволюцията. Но нямаме представа как е започнала. Еволюцията трябва да е имала начало. Това не е универсален закон, като принципите на физиката или химията, които действат от началото на Вселената. Доколкото ни е известно, еволюцията е започнала едва откакто биологията е възникнала за първи път. Това се е случило преди около 3,5 милиарда години – един милиард години след формирането на Земята.
Защо протеините са на първо място?
Защо протеините са на първо място? Протеините са по-голямата част от масата на клетката. Диференциалните темпове на растеж, които са мелницата на клетъчната еволюция, до голяма степен са въпрос на диференциално производство на протеини. Протеините са създателите на молекули, които катализират тези реакции на растеж. Важно е, че протеините са уникални по това, че имат връзки последователност –> структура –> функция.
Протеините образуват специфични нагънати структури, които са основата за молекулярните функции. Те създават действията и поведението на клетката. Представете си, че 20-те аминокиселини на протеина попадат в приблизително два класа. Те са маслоподобни хидрофобни мономери и водоподобни полярни мономери. Протеините се сгъват. Това означава, че протеиновите струни се сгъват във вода в специфични компактни форми поради основната физика, че маслото избягва вода.
Тоест маслените аминокиселини се сгъват, за да бъдат вътре в топката, далеч от заобикалящата вода извън протеина. Това прави протеините страхотни катализатори. Нагънатите протеини са миниатюрни твърди тела. Твърдото вещество е точно това, което е необходимо за катализирането на химични реакции. Атомите на катализатора трябва да задържат местата си достатъчно дълго, за да подпомогнат реакцията. Освен това азбуката от 20 аминокиселини обхваща набор от химикали, така че те катализират набор от реакции.
Как започва?
Но как започва производството на протеини? Първо, знаем от експерименти, че аминокиселинните градивни елементи на протеините вероятно са съществували на ранната Земя. Също така знаем, че е имало прости катализатори, които първоначално биха могли да свържат аминокиселините в пептиди – минерали и глини или повърхности въздух-вода ще свършат работа. Къси протеини, наречени пептиди, дори се намират в някои метеорити.
И така, нека наречем първия катализатор „основателната скала“. “Скала“ означава просто място, фиксирано в пространството, а „основаване“ означава, че това е първият катализатор, преди самите протеини да са били катализатори, свободно плаващи и улавяни вътре в клетките. Въпреки това, протеините, направени на Скалата-основател, биха били твърде къси и не са притежавали нито функции, нито принципи на разпространение, нито специфични информационни последователности. Как тези био-подобни свойства могат да се появят от прости пептиди? Появата е, когато малка промяна в някакъв параметър превръща просто поведение в по-сложно.
Появата на котката
Компютърни модели разказват правдоподобна история. Няколко от тези малки произволни пептиди се натрупват във водата от маслено-водните сили, създавайки стабилни нагънати повърхности. Превръщайки се в примитивни катализатори и помагайки за удължаване на други вериги. “Foldcats” са това, което наричаме такива вериги. Тези последователности ще бъдат редки, изключително много.
Но, както е вярно в много подобни въпроси на статистическата физика, въпросът не е колко невероятни са състоянията, а по-скоро колко кооперативни са те. Как едно молекулярно действие може да засили следващото, подобно на снежна топка, която расте, докато се търкаля надолу по хълма? Няма значение коя е първата снежинка. Има значение само какъв е процесът на превръщане в снежна топка. Хипотезата на котарака обяснява кооперативността като снежна топка и повратната точка – преминаване от химия към биология и от разпадане на молекули до техния постоянен растеж.
Как може да работи всичко това? Няколкото дълги вериги, които се образуват върху скалата-основател, катализират създаването на още по-дълги вериги, произвеждайки допълнителни стабилни и разнообразни катализатори. Това е така, защото дългите вериги се сгъват по-плътно, предпазвайки сърцевината им от химическо разграждане. Късите вериги се разграждат по-бързо. По-дългите вериги печелят рециклирани аминокиселинни мономери, изпивайки повече ресурси. Победителните пептидни молекули вземат всичко, като начало на еволюцията на Дарвин.
Един скептик може да твърди, че това нарушава Втория закон на термодинамиката, но това не е правилно. Накратко: Докато Вторият закон казва, че мъртвата материя има тенденция към равновесие и деградация, Вторият закон не се прилага за неща, които са „включени“ – неща като телевизори, които са изгонени от равновесие. В хипотезата на котарака, това, което е включено, е пептидният синтез върху основата на скалата в присъствието на изобилие от аминокиселини. Това е шофьорът. Това ще генерира огромни количества нежелани пептиди и много малък брой сгъваеми по-дълги вериги. Но това е всичко, което е необходимо, за да се търкаля снежната топка.
Първо е функцията, а след това информацията
Накратко, следва да вярваме, че функцията (протеините) идва преди информацията (РНК). Не знаем за алтернатива, тоест за движеща сила за процес, който е на първо място информацията. Вместо гени, използващи протеини за създаване на нови гени, вярваме, че протеините използват гени, за да създават нови протеини. И механизмът на сгъваема котка просто показва как посредникът – гените – просто не са били необходими в началото. Пептидите създават протеини като първата стъпка към произхода на живота.
