Az élet eredetének kísérleti eredményei Könnyű Balázs Ph.D hallgató 1ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék

Hogyan jelent meg az ember? Hogyan jelentek meg az élőlények? Teremtették a csillagokat, a bolygókat, az életet vagy természeti törvények hozták létre őket? És egyébként…

El tudjuk-e dönteni minden objektumról egyértelműen, hogy él-e? Mi az élet? El tudjuk-e dönteni minden objektumról egyértelműen, hogy él-e?

ÉLŐ NEM ÉLŐ

ÉLŐ NEM ÉLŐ

Hogyan kezdjünk a problémához? - keressük meg az élet legegyszerűbb formáit és próbáljuk kitalálni mi a közös bennük! Vírus Egysejtű eukarióta Prokariota

Élet kritériumok I. Reális (abszolút) életkritériumok (minden élőlényre igaz): Inherens (belső lényegből fakadó) egység: „az egység (…) elemeinek nem egyszerű uniója, hanem új egység, amely (…) új minőségi tulajdonságaokat hordoz”. Anyagcsere: anyag és E lép a rendszerbe, ott átalakul majd a hulladék anyagok elhagyják a rendszert. Stabilitás: a rendszer belső folyamatainak olyan speciális szerveződési módja, amely lehetővé teszi a rendszer folyamatos működését és a külső környezet változásainak ellenére is állandó marad (~homeosztázis). Információhordozó alrendszer: a teljes rendszer felépítéséről Szabályozottság és vezéreltség: a folyamatok szabályozottak (vö. enzimek) de bizonyos folyamatok vezéreltek (vö. egyedfejlődés).

Élet kritériumok II. Potenciális (lehetséges) életkritériumok (nem minden élő egységre igaz, de az evolúcióhoz nélkülözhetetlen): Növekedés és szaporodás*: egysejtűeknél a szaporodás egy része a növekedés de többsejtűeknél a szaporodás a növekedés közvettet módon kapcsolódnak. Öröklődő változatosság*: az egyedet felépítő információ nem pontosoan adódik át az utódba. Halandóság: biogeokémiai ciklusok. * ez evolúció egysége

Az élő (sejt) minimál modellje Gánti Tibor : Az élet principiuma. 1978.,Gondolat, Budapest Ai: anyagcsere alrendszer (autokatalitikus) pV: információ-tároló alrendszer (vö.: DNS) Tm: határoló (membrán) alrendszer Autokatalizis: A + B = 2A + C

INFRABIOLÓGIA Anyagcsere (A) AT Ősleves Lipid Világ Őspizza Membrán (T) Információ tároló (replicator) (pV) Hyperciklus AT Lipid Világ pVA RNS Világ pVT SCM pVTA Az első élő sejt Szathmáry E. alapján, 2007

A minimál modellhez hasonló objektum és az azt felépítő anyagokat létrejöttét kétféle módon vizsgálhatjuk: Kísérletes megközelítés Elméleti megközelítés mai alkalom

Az élet építőelemei A monomerek és makromolekulák szintézise

A monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise Funkció Monomer Makromolekula katalizátor (enzim) aminosav fehérje információ hordozó nukleotid (bázis, cukor) DNS / RNS membrán zsírsavak micella, lipid vezikulum Nem állítja senki, hogy rögtön a mai építőkövek jelentek meg az első élet felé tett lépésekben, bár az első élőlényben biztosan ezek voltak. Az élet keletkezése idejében a Földi körülményekre csak sejtéseink vannak. Ahogy arra később utalni fogok, a légkör összetétele mai napig nem teljesen lezárt viták tárgya. Először feltételezték, hogy a légkör erősen redukáló volt (metán (CH4), ammónia (NH3), hidrogén (H2)). Redukáló atmoszférában a szerves anyagok keletkezése valószínűbb (lásd később). További kutatások alapján enyhébben redukáló légkör tűnt valószínűleg (széndioxid (CO2), nitrogén (N2) és víz (H2O) kisebb mennyiségben szén-monoxid (CO) és hidrogén (H2)). Egy friss tanulmány azonban (Tian, Toon, Pavlov & De Sterck 2005. A hydrogen-rich early Earth atmosphere. Science 308:1014-1017) magas légköri H2 koncentrációt jósol, ami könnyebbé teszi a szerves anyagok keletkezésének megmagyarázását.

Miller-Urey kísérlet Metán (CH4) Ammónia (NH3) Hidrogén (H2) Víz (H2O) Elektromos kisülés A kémiai evolúció kutatásának mérföldköve volt Stanley Miller kísérlete (Stanley L. Miller (1953): Production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science 117:528-529.), amely során kísérletesen állított elő szerves molekulákat prebiotikus körülményeket modellezve. A kísérletben erősen redukáló, metánt, ammóniát és vizet tartalmazó légkört tételezett fel. A rendszert vízzel (ősóceán) kiegészítve, energiaforrásként pedig elektromos kisülést alkalmazva azt a meglepő eredményt kapták, hogy az oldatban aminosavak és más szerves molekulák vannak. Az aminosavak jelenléte igazolt, azonban oligopeptiddé nehezen kapcsolódnak össze és akkor sem biztos, hogy az a mai szervezetekben „megszokott” peptidkötésen keresztül történik. A kísérletben a genetikai kód által kódolt 20 aminosavon kívül számos más aminosav is megjelent. A „természetes” aminosavak messze nem a leggyakoribbak. Továbbá például a lizin, arginin és hisztidin szintézise még nem megoldott. Az előbbiekhez hozzátartozik, hogy mostanában a légkörfizikusok erősen kétségbe vonják egy ősi redukáló légkör jelenlétét. Modelljeik alapján valószínűbb, hogy a légkör főleg CO2, N2 és H2O keveréke volt, kisebb mennyiségű CO és H2 jelenlétével. Így a fenti reakciókhoz a redukált szenet vagy a víz alatti hidrotermális hasadékokból, vulkánokból feltörő metán vagy az ásványi felszíneken végbemenő redoxi folyamatok szolgáltathatták. A hidrotermális hasadékok mellett – bár az óceán kémiai összetétele kedvez a szerves molekulák abiogén szintézisének – a magas hőmérséklet (85 - 350 C) azonban túlságosan meggyorsítja a bomlást, ami lehetetlenné tesz bizonyos reakcióutakat és a makromolekulák felgombolyodása sem megy megfelelően végbe. Eredmény: cukor, aminosav, N-tartalmú heterociklusos vegyületek (mindaz ami megtalálható az élő sejtben)

A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I. Hidorgéncianid addíciós reakció:

A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I. Formóz reakció:

Szép, de vannak problémák… Ősleves elmélet Miller kísérletei és hasonló kísérletek alapján született meg az elképzelés: Az ősi Föld légköre kezdetbe redukáló gázelegyből állt (metán, ammónia stb.) A gázelegy elemei villámlások által reakcióba lépetek egymással Az ősóceánba oldódtak és még változatosabb biológiailag fontos molekulák jöttek létre, amelyek közül egyesek képesek autokatalitikus módon gyarapodni (vö. formoz reakció) A változatos biomolekulákból létrejött önszerveződéssel az első sejt Szép, de vannak problémák…

Az Ősleves problémai I. Még ha ki is alakulnak komplex reakció-hálózatok, amelyek előállítanak minden szükséges molekulát, enzimek hiányában az oldal reakciók „megölik” a rendszert.

Az élet építőkövei A monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise Funkció Monomer Makromolekula katalizátor (enzim) aminosav fehérje ? információ hordozó nukleotid (bázis, cukor) DNS / RNS ? membrán zsírsavak ? micella, lipid vezikulum Nem állítja senki, hogy rögtön a mai építőkövek jelentek meg az első élet felé tett lépésekben, bár az első élőlényben biztosan ezek voltak. Az élet keletkezése idejében a Földi körülményekre csak sejtéseink vannak. Ahogy arra később utalni fogok, a légkör összetétele mai napig nem teljesen lezárt viták tárgya. Először feltételezték, hogy a légkör erősen redukáló volt (metán (CH4), ammónia (NH3), hidrogén (H2)). Redukáló atmoszférában a szerves anyagok keletkezése valószínűbb (lásd később). További kutatások alapján enyhébben redukáló légkör tűnt valószínűleg (széndioxid (CO2), nitrogén (N2) és víz (H2O) kisebb mennyiségben szén-monoxid (CO) és hidrogén (H2)). Egy friss tanulmány azonban (Tian, Toon, Pavlov & De Sterck 2005. A hydrogen-rich early Earth atmosphere. Science 308:1014-1017) magas légköri H2 koncentrációt jósol, ami könnyebbé teszi a szerves anyagok keletkezésének megmagyarázását.

Az Ősleves problémai II. Az őslégkör korentsem biztos, hogy redukáló volt, azaz nem biztos, hogy csak metán és ammónia volt benne. Bizonyíték: ősi kőzetekben találtak eloxidálódott vasat, ami az őslégkör semlegességére ill. enyhén oxidatív jellegére utal. Abban mindenki egyetért hogy a mai 21 V/V% O2 biológiai eredetű, de abiotikus folyamatok révén megjelenhetett 1-2 V/V% O2 (az anaerob baktériumokat nem gátolja!)

Az Ősleves problémai II. Új kísérlet: Miller-féle kísérletek megismétlése semleges v. oxidatív gázeleggyel (N2, H2O és CO/CO2). A CO2 gátolja a HCN képződést! Eredmény: az eredeti kísérlethez hasonlóan sokféle biomolekula.

Az Ősleves problémai III. Az ősleves túlságosan híg oldat, kevés molekulát tartamazhatott. A biomolekulák származhatnak meteoritokból és üstökösökből is, amelyek a Földre érkeztek kb. 4 milliárd évvel ezelőtt. A csillagközi porban találtak szerves molekulákat! (???Panspermia???) Kiszáradó lagúnákban lokális koncentráció növekedés.

Az Ősleves problémai IV. Sok fontos biomolekula nem szintetizálódik meg azonos körülmények között. A +B C +D pH<7 pl.: aminosavak E +F G +H pH>7 pl.: membrán alkotó és cukrok Hogyan lehetne azt a két merőben különböző környezetet „egyesíteni”, hiszen mind a C + D mind a G + H szükséges építőelem?

Az Ősleves problémai V. Miller-féle kísérletekben mind L-, mind D-formájú aminosavak és cukrok létrejönnek, amelyek egymás polimerizációját keresztbe gátolják. Ma viszont az összes élőlényben (kevés kivételtől eltekintve) csak L-aminosavak és D-cukrok vannak jelen (stereospecifitás). Hogyan tűnt el az egyik fajta forma teljesen?

Az Ősleves problémai VI. Számos biokémiai reakció valójában kondenzáció, azaz vízkilépéssel járó kémia reakció. glicin alanin Peptid kötés ALANIN H GLICIN + N C O OH Hogyan képződhet végtermék-gátlás nélkül polipeptid (fehérje) vagy polinukleotid (RNS, DNS)?

A fenti kémiai problémák miatt el kell vetnünk az ősleves elméletet.

A fenti kémiai problémák miatt el kell vetnünk az ősleves elméletet. Új elmélet: Őspizza a molekulák a pozitív töltésű pirit felszínhez kötődnek és magas hőmérsékleten (~250°C) valamint nagy nyomáson (~200MPa) szerves molekulák képződnek szervetlenekből kémiai energia segítségével (kemoautrófia): Energia forrás: FeS + H2S = FeS2 +H2 Szénforrás: CO vagy CO2

Az Őspizza I. Bizonyíték: a mai biomolekulák többsége negatív töltésű kémiai csoportokat hordoz (pl.: foszfát, karbonát) a formóz reakció működik cukor foszfátokkal a felszínen, neutrális pH-n (az eredeti erősen lúgos közegben működött csak!). a felszínen a gyenge elektrosztatikus kötés miatt a molekulák vándorolhatnak a felület-kötött molekulák közötti reakciók kevésbé terheltek az ősleves problémáival

Az Őspizza II. A felületnek erőteljes katalizáló hatása van (vö.: szervetlen katalizátorok, enzimek)! Katalizátor (gyors reakciók) Specifikus (kevés mellékreakció) Stereospecifikus Az enzimek ma leginkább fehérjék. A felület kötött szubsztrátok lokális koncentráció növekedés miatt megnő az ütközések száma, ami a kémiai reakciók gyakoribb lefolyásához vezet.

Nincs még igazán jó magyarázat a homokiralitásra!!! Az Őspizza III. A felület képes kiválogatni a L- ill. D-formájú molekula párok közül az egyiket. Kalcium karbonát kristályon több különböző felületi struktúrát azonosítottak, amelyek a racém elegy különböző komponenseit különböző képen kötik. Az eantiomerek különböző számú -OH csoporttal kötődnek a felszínhez, így a sebességük a felszínen különböző. Nincs még igazán jó magyarázat a homokiralitásra!!!

Az Őspizza IV. Elősegíti a vízkilépésel járó biokémiai (kondenzációs) reakciókat. Oldatban: A + B = C + D Mozgási szabadsági fokok: 3 3 3 3 Felülethez kötötten: A + B = C + D Mozgási szabadsági fokok: 2 2 2 3 A rendezetlenség mértéke (entrópia) nő!

Az Őspizza V. Agyagásvány felszínen nukleotidok is és aminosavak is könnyebben polimerizálódnak (kb. 50 tagú polimerekig). Sőt a nukleotidok a 3’-5’ kapcsolódást is jobban preferálják a felszínen mint oldatban ahol gyakoribb a 2’-5’ kapcsolódás. polimerizáció hidrolízis

Őspalacsinta elmélet Összefoglalás Ősleves elmélet Őspizza elmélet sokféle biomolekula kémiailag nehezen elképzelhető Őspizza elmélet kevesebb fajta biomolekula kémiailag realisztikusabb Őspalacsinta elmélet Sokféle molekula képződött az őslégkör-ősleves rendszerben, amelyek aztán felülethez kötődtek és bonyolult biomolekulákká (DNS, RNS, fehérje stb.) alakultak.