DARWINOVA teorija evolucije odlično objašnjava kako se život na Zemlji razvijao nakon što je nastao.

Ona je toliko dobro potvrđena u brojnim znanstvenim granama, da je suvremeni biolozi jednostavno smatraju činjenicom.

Abiogeneza – prvi korak prema životu

No jedan dio slagalice u priči o životu, koji se naziva abiogeneza, još uvijek nije potpuno razjašnjen. Abiogeneza je naziv za prirodni proces nastanka života iz nežive materije kao što su jednostavni organski spojevi. Vjeruje se da se ona odvila prije 3.8 do 4.1 milijarde godina, a znanstvenici je istražuju kroz tri glavna aspekta: geofizikalni, kemijski i biološki.

Pritom se eksperimenti koji se provode u laboratorijima najčešće temelje na pokušaju sinteze sva tri. U njima se uglavnom istražuje kako su nastale prve samoreplicirajuće molekule, a danas je jedna od glavnih hipoteza da je život na Zemlji potekao iz svijeta molekula RNA (RNA world).

Novo istraživanje, objavljeno u časopisu Science Advances, moglo bi predstavljati važan korak u rješavanju jednog od otvorenih pitanja abiogeneze. U njemu su znanstvenici identificirali strukture proteina koje su mogle imati važnu ulogu u razmjeni energije koja je temelj sveg života.

"Teorija A. Oparina iz 1924. o abiotičkoj evoluciji molekula na bazi ugljika u primordijalnoj juhi ukazuje na mogući način ostvarenja cilja. Međutim, evolucijski put formiranja različitih biogenih molekula ostaje jedno od najdubljih neodgovorenih pitanja u biologiji. Iako su prve biološke molekule koje se samorepliciraju vjerojatno bile katalitički fragmenti RNA, tzv. ribozimi, za repliciranje ribozima neophodna je energija", ističu autori.

Za život je ključna energija

Autori su u svojem istraživanju krenuli od premise da život kakav poznajemo ovisi o prikupljanju, skladištenju i korištenju energije. U "primordijalnoj juhi" drevne Zemlje, ta je energija najvjerojatnije dolazila od Sunca ili iz vruće unutrašnjosti Zemlje, kao toplina koja prodire kroz hidrotermalne otvore na dnu oceana.

Na molekularnoj razini, korištenje energije podrazumijeva kemijske procese koji uključuju kretanje elektrona s jednog atoma ili molekule na drugi. A prijenos elektrona je temelj oksidacijsko-redukcijskih reakcija koje su ključne za neke od osnovnih životnih funkcija.

Budući da su metali najbolji elementi za prijenos elektrona, a složene molekule proteini su ono što regulira većinu bioloških procesa, istraživači su odlučili kombinirati to dvoje i tražiti proteine ​​koji vežu metale.

U studiji je za usporedbu proteina koji vezuju metale korišten računalni pristup. On je dizajniran tako da otkriva određene zajedničke značajke koje su se podudarale u svim proteinima, bez obzira na njihovu funkcionalnost, na organizme u kojima se nalaze ili na metale koje vežu.

"Vidjeli smo da su jezgre postojećih proteina koje vežu metale doista slične iako sami proteini možda nisu", rekla je mikrobiologinja Yana Bromberg sa Sveučilišta Rutgers-New Brunswick u New Jerseyju.

"Također smo vidjeli da su jezgre proteina koje vežu metale često sastavljene od ponavljajućih podstruktura, poput Lego kocki. Zanimljivo je da su ovi blokovi također pronađeni u drugim regijama proteina, ne samo u jezgrama koje vežu metal, i u mnogim drugim proteinima koji nisu uzeti u obzir u našoj studiji.

Naše zapažanje sugerira da je preraspoređivanje ovih malih građevnih blokova moglo imati jednog ili mali broj zajedničkih predaka te da je dovelo do nastanka čitavog niza proteina i njihovih funkcija koje su trenutno dostupne - to jest, do života kakav poznajemo", dodala je.

Studija također zaključuje da su biološki funkcionalni peptidi, manje verzije proteina, možda prethodili najranijim proteinima koji sežu unatrag čak 3.8 milijardi godina. Sve ovo doprinosi našem razumijevanju kako je život prvi put započeo svoju evoluciju na Zemlji.

"Imamo vrlo malo informacija o tome kako je nastao život na ovom planetu, a naš rad doprinosi prethodno nedostupnom objašnjenju", rekla je Bromberg.

"Ovo bi objašnjenje također potencijalno moglo doprinijeti našoj potrazi za životom na drugim planetima i planetarnim tijelima. Naš nalaz specifičnih strukturnih građevnih blokova također je vjerojatno relevantan za napore u sintetskoj biologiji, u kojoj znanstvenici žele iznova konstruirati specifično aktivne proteine", zaključila je Bromberg.

Hidrotermalni izvori kao tvornice prvog života

Damjan Franjević s Katedre za evoluciju na PMF-u u Zagrebu kaže da su znanstvenici od Oparinove prajuhe do danas prošli ogroman put u istraživanju prebiotske evolucije.

"U tom području ideja i pojam prajuhe su više-manje u potpunosti odbačeni zbog niza nepremostivih problema koji taj koncept predstavlja, među ostalim, zasićenja biomolekula u takvoj prajuhi odnosno u zatvorenom sustavu", kaže Franjević.

"Ono što danas znamo i na čemu temeljimo 'jumpstart of life' iz prebiotskog kemijskog kaosa u biološki logos su upravo hidrotermalni izvori i geokemija hidrotermalnih izvora. Nova studija bavi se pokušajem razrješavanja problema energetike prvih biokemijskih odnosno bioloških procesa putem metalo-proteina, tj. proučavanjem proteina koji na sebe vežu metale i rekonstrukcijom njihove evolucijske prošlosti. Dakle, to je jedan dodatni pokušaj objašnjenja bioenergetike na zemlji. No postoje i drugi", dodaje.

"Od svog otkrića, hidrotermalni izvori su relevantni za koncepte koji okružuju podrijetlo života. Na najjednostavnijoj razini, postoje dvije vrste hidrotermalnih izvora: vrući s temperaturama od oko 350°C, koji se zovu Crni pušači (black smoker), čiju kemiju pokreće magma koja se nalazi ispod zona širenja oceanskog dna, i hladniji s temperaturama od oko 50–90°C koji se zovu 'Izgubljeni grad' (lost city), čiju kemiju ne pokreće magma, već proces koji se naziva serpentinizacija.

Serpentinizacija je geokemijska reakcija koja stvara vodik i koja djeluje u hidrotermalnim sustavima otkad postoji voda na Zemlji. Njena redukcijska snaga dovoljna je za stvaranje znatnih količina abiogenog CH4 i kratkih ugljikovodičnih lanaca u nekim danas postojećim hidrotermalnim izvorima.

U proučavanju podrijetla života, glavna neriješena pitanja tiču ​​se izvora trajne kemijske energije i izvora reduciranih spojeva ugljika. Geokemija modernih hidrotermalnih izvora daje model za naše razumijevanje kako su takvi procesi mogli biti mogući u zoru biokemije.

Ona je abiogena preteča moderne mikrobne proizvodnje CH4 i acetata. To sugerira da je evolucijska početna točka mikrobnog metabolizma mogao biti geokemijski proces koji oslobađa energiju u kojem je CO2 služio kao akceptor za elektrone koji potječu od vodika nastalog serpentinizacijom.

Kemiosmotska priroda hidrotermalnih sustava, kao što je Izgubljeni grad, mogla bi biti važna za pitanje nastanka života, ali i na pomalo neočekivan način pomaže objasniti zašto je kemiosmotsko spajanje putem ATP-aza univerzalno u cijelom mikrobnom svijetu. ATP-aze su klasa enzima koji kataliziraju razgradnju ATP-a na ADP i slobodni fosfatni ion ili inverznu reakciju.

Ova reakcija oslobađa energiju koju enzimi uglavnom koriste za pokretanje drugih kemijskih reakcija koje se inače ne bi događale, a taj proces se široko koristi u svim poznatim oblicima života. Drugim riječima, geokemija hidrotermalnih izvora kopirana je u biokemiji i reakcijama proizvodnje energije današnjih stanica", tumači Franjević.