Въпреки годините на напредък, произходът на живота продължава да бъде една от най-трайните загадки на науката.

"Най-основните характеристики на биологията - че организмите са изградени от клетки, че предават генетична информация през ДНК, че използват протеинови ензими, за да управляват метаболизма си - всички са възникнали чрез специфични процеси в много ранна еволюционна история", обяснява Арън Голдман (Aaron Goldman), професор по биология в колежа Оберлин. "Да се разбере как тези най-основни биологични системи са се оформили за първи път не само ще ни даде по-добра представа за това как животът функционира на най-фундаменталното ниво, но и какво всъщност представлява животът на първо място и как можем да го търсим отвъд Земята."

Въпросът как се е появил животът обикновено се изучава чрез лабораторни експерименти, които симулират ранната среда на Земята и търсят химични вещества, които могат да създадат същите видове биомолекули и метаболитни реакции, които виждаме в организмите днес. Това е известно като подход "отдолу нагоре", тъй като работи с материали, които биха присъствали на пребиотичната Земя.

Докато тези така наречени експерименти с "пребиотична химия" успешно демонстрират как може да е възникнал животът, те не могат да ни кажат как всъщност е възникнал животът. Междувременно други изследвания използват техники от еволюционната биология, за да реконструират как може да са изглеждали ранните форми на живот въз основа на данни от живота днес. Това е известно като подход "отгоре надолу" и може да ни разкаже за историята на живота на Земята.

Изследванията отгоре надолу обаче могат да гледат само толкова назад, откакто е имало гени, които все още са запазени в организмите днес, и следователно не чак до произхода на живота. Въпреки ограниченията си, изследванията отгоре надолу и отдолу нагоре са насочени към общата цел да открият произхода на живота и в идеалния случай техните отговори трябва да се сближават с общ набор от условия.

Нова статия, публикувана от Голдман, Лори Бардж (Laurie Barge), изследовател по астробиология в Лабораторията за реактивни двигатели на НАСА (JPL) и колегите ѝ, се опитва да преодолее тази методологична празнина. Авторите твърдят, че комбинирането на лабораторни изследвания отдолу нагоре на правдоподобни пътища към произхода на живота с еволюционни реконструкции отгоре надолу на ранни форми на живот може да се използва, за да се открие как животът наистина е възникнал на ранната Земя.

В своята статия авторите описват един феномен, който е основен за живота днес, който може да бъде изследван чрез комбиниране на изследвания отдолу нагоре и отгоре надолу: електронниte транспортни вериги.

Електронната транспортна верига

Електронната транспортна верига (ЕТВ) е основният източник на производство на АТФ (аденозинтрифосфат, анг. ATP) в тялото и е жизненоважна за живота. При дишането се генерират молекули-носители на електрони, като NADH, които да се използват в ЕТВ.

Комплекси

Веригата за пренос на електрони се намира в митохондриите. В ЕТВ има пет основни протеинови комплекса, разположени във вътрешната мембрана на митохондриите. Това са белязани комплекси I, II, III, IV и V. Двата носителя на електрони, NADH и FADH 2, започват веригата, дарявайки своите електрони съответно на комплекс I и комплекс II. След това тези електрони се предават към следващия комплекс във веригата.

Генериране на енергия

Този процес генерира енергия, която се използва за изпомпване на водородни йони в междумембранното пространство. При това се генерира протонна движеща сила. Това е електрически и химичен градиент на водородни йони между междумембранното пространство и матрицата. Основният път за повторно навлизане на протоните в матрицата е чрез АТФ синтаза или комплекс V.

АТФ синтазата позволява на протонната движеща сила да бъде освободена и използвана от клетката. Тази енергия, генерирана от водородни йони, дифундиращи обратно в матрицата чрез комплекс V, се използва, като по този начин се създава АТФ от АДФ (аденозиндифосфат, анг. ADP)).

Когато концентрацията на АТФ се повиши, има по-малко АДФ за използване от АТФ синтазата. Следователно има естествено ограничение в периодите на високо дишане, за да се избегне производството на големи количества АТФ. Обратно, когато концентрацията на ADP е висока, има много ADP за използване от АТФ синтазата и така се произвежда повече АТФ.

Междувременно електроните се свързват с водородните йони и кислорода, за да образуват вода чрез комплекс IV. Този процес обаче не е идеален. Електроните могат да изтекат от веригата за транспортиране на електрони и могат да намалят кислорода, което може да произведе свободни радикали като супероксид и водороден пероксид.

^{Диаграма за обобщаване на веригата за пренос на електрони. Кредит: OpenStax College [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], чрез Wikimedia Commons}

Електронните транспортни вериги са вид метаболитна система, която се използва от бактерии до хора, за производство на използваеми форми на химическа енергия. Многото различни видове вериги за транспортиране на електрони са специализирани за всяка форма на живот и енергийния метаболизъм, който използват: например, нашите митохондрии съдържат верига за транспортиране на електрони, свързана с нашия хетеротрофен (който не може да произвежда своя собствена храна и вместо това разчита на приема на хранителни вещества от други източници) енергиен метаболизъм, докато растенията имат напълно различна верига за пренос на електрони, свързана с фотосинтезата (генерирането на енергия от слънчева светлина).

И в целия микробен свят организмите използват широка гама от вериги за пренос на електрони, свързани с различни енергийни метаболизми. Но въпреки тези разлики, авторите описват доказателства от изследване отгоре надолу, че този вид метаболитна стратегия е била използвана от най-ранните форми на живот и те представят няколко модела за вериги за пренос на електрони от предците, които биха могли да датират от много ранна еволюционна история.

Те също така проучват настоящите доказателства отдолу нагоре, които предполагат, че дори преди появата на живота, какъвто го познаваме, химията, подобна на веригата за пренос на електрони, може да е била улеснена от минерали и океанска вода от ранната Земя. Вдъхновени от тези наблюдения, авторите очертават бъдещи изследователски стратегии, които синтезират изследвания отгоре надолу и отдолу нагоре върху най-ранната история на електронните транспортни вериги, за да получат по-добро разбиране на древния енергиен метаболизъм и произхода на живота в по-широк план.

Справка: “Electron transport chains as a window into the earliest stages of evolution” by Aaron D. Goldman, Jessica M. Weber, Douglas E. LaRowe and Laura M. Barge, 14 August 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.DOI: 10.1073/pnas.2210924120

Източник: The Unsolved Enigma of the Origin of Life: A New Strategy, Oberlin College

Още по темата

15/05/2023

Животът

Защо произходът на живота остава загадка и как ще го разгадаем

01/08/2022

Животът

Първична супа: Новооткрити химични реакции могат да обяснят произхода на живота

06/06/2022

Животът

Пробив в определянето на произхода на живота на Земята и може би на Марс

22/02/2022

Животът

7 теории за произхода на Живота