Quando a vida na Terra começou quase 4 bilhões de anos atrás, muito antes de os seres humanos, dinossauros ou até mesmo as primeiras formas unicelulares de vida percorriam, ele pode ter começado como um soluço em vez de um rugido: blocos pequenos e simples de construção moleculares conhecidas como "monômeros "vindo junto em mais longos" cadeias de polímero "e caindo aos pedaços nas piscinas quentes do lodo primordial uma e outra vez.
Então, em algum lugar ao longo da linha, essas cadeias poliméricas crescentes desenvolvido a capacidade de fazer cópias de si mesmos. A concorrência entre estas moléculas permitiria que os mais eficientes em fazer cópias de si mesmos a fazê-lo mais rápido ou com maior abundância, um traço que seria partilhada pelas cópias que eles fizeram. Estes replicadores rápidos iria encher a sopa mais rápido do que os outros polímeros, permitindo que a informação de que codificado para ser passada de uma geração para outra e, eventualmente, dando origem ao que nós pensamos de hoje como a vida.
Ou assim a história continua. Mas sem registro fóssil para verificar desde os primeiros dias, é uma narrativa que ainda tem alguns capítulos que faltam. Uma questão em particular, continua a ser problemático: o que permitiu o salto de uma sopa primordial de monómeros individuais de cadeias de polímero de auto-replicação?
Um novo modelo publicado esta semana no Journal of Chemical Physics , do AIP Publishing, propõe um mecanismo potencial pelos quais auto-replicação poderia ter surgido. Ele postula que a ligadura assistida-modelo, a união de dois polímeros usando um terceiro, mais um como um modelo, poderia ter permitido polímeros para se tornar auto-replicante.
"Tentamos preencher esta lacuna no entendimento entre os sistemas físicos simples para algo que pode se comportar de forma realista e transmitir informações", disse Alexei Tkachenko, pesquisador do Brookhaven National Laboratory. Tkachenko realizou a pesquisa ao lado de Sergei Maslov, um professor da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign com nomeação conjunta no Brookhaven.
A auto-replicação é um processo complicado - DNA, a base para a vida na Terra hoje, requer uma coorte coordenada de enzimas e outras moléculas a fim de se duplicar. Os primeiros sistemas auto-replicantes eram certamente mais rudimentar, mas a sua existência em primeiro lugar ainda é um pouco desconcertante.
Tkachenko e Maslov propuseram um novo modelo que mostra como as primeiras moléculas auto-replicantes poderiam ter trabalhado. Seu modelo alterna entre as fases "dia", onde os polímeros individuais flutuam livremente e fases "noite", onde eles se juntam para formar mais cadeias via ligadura assistida-modelo. As fases são conduzidos pelas alterações cíclicas das condições ambientais, tais como temperatura, pH, salinidade ou, que lançam o sistema de equilíbrio e induzem os polímeros, quer se unem ou se separam.
De acordo com o seu modelo, durante os ciclos de noite, múltiplos polímeros curtos ligação a cadeias mais longas, de polímeros que actuam como modelos. Estas vertentes modelo mais segurar os polímeros mais curtos em proximidade suficiente próximos uns dos outros que eles podem ligar para formar uma cadeia mais longa - uma cópia complementar de pelo menos parte do modelo. Com o tempo, os polímeros sintetizados de novo vindo a dominar, dando origem a um sistema autocatalítico e auto-sustentável de moléculas grandes o suficiente para potencialmente codificar projetos para a vida, o modelo prevê
Os polímeros também podem ligar em conjunto sem a ajuda de um molde, mas o processo é um pouco mais aleatória - uma cadeia que se forma em uma geração não será necessariamente transportados para o próximo. Ligadura assistida por molde, por outro lado, é um meio mais fiéis de preservar a informação, como as cadeias de polímero de uma geração são utilizados para construir a próxima. Assim, um modelo baseado no modelo de ligadura assistida-combina o prolongamento de cadeias de polímero com a sua replicação, proporcionando um mecanismo potencial de hereditariedade.
Enquanto alguns estudos anteriores têm argumentado que uma mistura dos dois é necessário para mover um sistema a partir de monômeros para polímeros auto-replicantes, o modelo de Maslov e Tkachenko demonstra que é fisicamente possível para a auto-replicação a surgir com apenas ligadura assistida-modelo.
"O que nós demonstramos pela primeira vez é que, mesmo se tudo que você tem é a ligadura assistida-modelo, você ainda pode iniciar o sistema de sopa primordial", disse Maslov.
A idéia de ligadura de condução auto-replicação assistida-modelo foi originalmente proposto na década de 1980, mas de uma forma qualitativa. "Agora é um modelo real que pode ser executado através de um computador", disse Tkachenko. "É uma peça sólida de ciência para o qual você pode adicionar outros recursos e estudar os efeitos de memória e herança."
Sob o modelo de Tkachenko e Maslov, o movimento a partir de monômeros de polímeros é um muito repentino um. É também hysteretic - isto é, leva muito determinado conjunto de condições para dar o salto inicial de monómeros para polímeros auto-replicantes, mas essas exigências rigorosas não são necessárias para manter um sistema de polímeros auto-replicantes uma vez que se pulou o primeiro obstáculo.
Uma limitação do modelo que os pesquisadores planejam abordar em estudos futuros é a sua suposição de que todas as sequências de polímero são igualmente prováveis de ocorrer. Transmissão de informações requer variação hereditária nas freqüências de seqüência - certas combinações de código bases para proteínas específicas, que têm funções diferentes. O próximo passo, então, é a de considerar um cenário em que algumas seqüências tornam-se mais comuns do que outros, permitindo que o sistema para transmitir informações significativas.
O modelo de Maslov e Tkachenko se encaixa no favorecido atualmente hipótese do mundo do RNA - a crença de que a vida na Terra começou com moléculas de RNA autocatalíticos que, em seguida, levar ao DNA mais estável, mas mais complexo como um modo de herança. Mas, porque é muito geral, pode ser utilizada para testar quaisquer origens da hipótese de vida que depende do surgimento de um sistema simples autocatalítica.
"O modelo, por design, é muito geral", disse Maslov. "Nós não estamos tentando resolver a questão do que esta sopa primordial de monómeros está vindo" ou moléculas específicas envolvidas. Em vez disso, o seu modelo mostra um caminho fisicamente plausível de monómero em polímero auto-replicante, avançando um passo mais perto de compreender as origens da vida.
Quase cada cultura na terra tem uma história de origem, uma lenda que explica a sua existência. Nós, seres humanos parecem ter uma profunda necessidade de uma explicação de como acabamos aqui, neste pequeno planeta girando através de um vasto universo. Os cientistas, também, há muito procurado para a nossa história origens, tentando discernir como, em uma escala molecular, a terra passou de uma confusão de moléculas inorgânicas para um sistema ordenado de vida. A pergunta é impossível de responder com certeza - não há registro fóssil, e não há testemunhas oculares. Mas isso não impediu que cientistas de tentar.
Ao longo dos últimos 150 anos, a nossa compreensão deslocamento das origens da vida tem espelhado o surgimento e desenvolvimento dos campos de química orgânica e biologia molecular. Ou seja, uma maior compreensão do papel que os nucleotídeos, proteínas e genes desempenham na formação do nosso mundo vivo hoje também melhorou gradualmente a nossa capacidade de perscrutar o seu passado misterioso.
Quando Charles Darwin publicou seu seminal A Origem das Espécies , em 1859, ele disse pouco sobre o surgimento da vida em si, possivelmente porque, na época, não havia nenhuma maneira de testar tais idéias. Suas únicas observações reais sobre o assunto vêm de uma carta posterior a um amigo, em que ele sugeriu um que a vida surgiu a partir de uma "poça morna" com um rico caldo de química de íons. No entanto, a influência de Darwin era de longo alcance, e sua observação improvisada formaram a base de muitas origens dos cenários da vida nos anos seguintes.
No início do século 20, a idéia foi popularizado e expandida por um bioquímico russo chamado Alexander Oparin . Ele propôs que a atmosfera na Terra primitiva foi a redução, o que significa que teve um excesso de carga negativa. Este desequilíbrio de carga poderia catalisar uma sopa pré-biótica de moléculas orgânicas existentes nas primeiras formas de vida.
A escrita de Oparin eventualmente inspirado Harold Urey, que começou a proposta campeão de Oparin. Urey, em seguida, chamou a atenção de Stanley Miller, que decidiu testar formalmente a idéia. Miller tomou uma mistura do que ele acreditava que os oceanos da Terra primitiva pode ter contido - uma mistura redução de metano, amônia, hidrogênio e água - e ativado com uma faísca elétrica. A descarga elétrica, agindo como uma greve de mitigação, transformado quase a metade do carbono no metano em compostos orgânicos. Um dos compostos que produziram foi glicina, o aminoácido mais simples.
O inovador experimento de Miller-Urey mostrou que a matéria inorgânica poderia dar origem a estruturas orgânicas. E, embora a idéia de uma atmosfera redutora caiu gradualmente em desuso, substituído por um ambiente rico em dióxido de carbono, estrutura básica de Oparin de uma sopa primordial rica em moléculas orgânicas preso ao redor.
A identificação de DNA como o material hereditário comum para toda a vida, e a descoberta de que o DNA codificado para a ARN, que codificava para proteínas, fornecida uma nova visão sobre a base molecular para a vida. Mas também forçado origens dos pesquisadores da vida para responder a uma pergunta desafiadora: como poderia esta maquinaria molecular complicado ter começado? O DNA é uma molécula complexa, requerendo uma equipe coordenada de enzimas e de proteínas para se replicar. Seu surgimento espontâneo parecia improvável.
Na década de 1960, três cientistas - Leslie Orgel, Francis Crick e Carl Woese - sugeriu independentemente que o RNA poderia ser o elo perdido. Porque RNA pode se auto-replicar, ele poderia ter agido como tanto o material genético e o catalisador para o início da vida na Terra. ADN, mais estável, mas mais complexo, que surgiram mais tarde.
Hoje, acredita-se amplamente (embora de modo algum universalmente aceita) que, em algum ponto da história, um mundo baseado no RNA dominaram a Terra. Mas como ele chegou lá - e se havia um sistema mais simples antes que - ainda está em debate. Muitos argumentam que o RNA é muito complicado ter sido o primeiro sistema de auto-replicantes na Terra, e que algo mais simples a precedeu.
Graham Cairns-Smith, por exemplo, tem argumentado desde a década de 1960 que as estruturas genéticas semelhantes primeiros não foram baseados em ácidos nucléicos, mas em cristais imperfeitos que surgiram a partir da argila. Os defeitos nos cristais, acreditava ele, as informações armazenadas que poderia ser replicado e transmitido de uma cristal para outro. Sua idéia, enquanto intrigante, não é amplamente aceito hoje.
Outros, levado mais a sério, suspeitam que o RNA pode ter surgido em concerto com peptídeos - um mundo de ARN-péptido, em que os dois trabalharam juntos para construir complexidade. Os estudos bioquímicos também estão fornecendo informações sobre mais simples análogos de ácidos nucleicos que poderia ter precederam as bases familiares que compõem RNA hoje. Também é possível que os primeiros sistemas auto-replicantes na Terra não deixaram nenhum vestígio de si mesmos em nossos sistemas bioquímicos atuais. Nunca saberemos, e ainda, o desafio da pesquisa parece ser parte de seu apelo.
Uma pesquisa recente por Tkachenko e Maslov, publicado 28 de julho de 2015 no The Journal of Chemical Physics, sugere que as moléculas auto-replicantes, tais como RNA pode ter surgido através de um processo chamado de ligadura assistida-modelo. Isto é, sob certas condições ambientais, pequenos polímeros poderiam ser levados a ligar-se a mais longas cadeias complementares de modelo de polímero, mantendo os fios curtos em proximidade suficiente próximos uns dos outros que eles poderiam fundir em cadeias mais longas. Através de mudanças cíclicas nas condições ambientais que induzem cadeias complementares que virão juntos e depois desmoronar repetidamente, uma coleção auto-sustentável de hibridizadas, polímeros auto-replicantes, capazes de codificar os planos para a vida poderia surgir.
O Dailt Galaxy via Instituto Americano de Física (AIP)
Crédito da imagem: http://www.astro.umd.edu/~lgm/ASTR380/dawn.jpg
Nenhum comentário:
Postar um comentário