DNR

DNR

Gyvybės atsiradimo Žemėje klausimas yra labai svarbus žmonėms, nes yra vienas iš pagrindinių pasaulėžiūros formavimosi prielaidų ir gvildenamas įvairiais požiūriais – religiniu, filosofiniu, moksliniu. Taip yra dėl to, kad gyvybė – toks sudėtingas ir toks tobulas kūrinys, kad kelia ne tik nuostabą ir susižavėjimą. Pasižiūrėjus į gyvūno organizmo mažiausios dalelės – ląstelės struktūros nuotraukas ar filmą apie ląstelės ciklą ir dalijimąsi, atrodo protu nesuvokiama, kaip savaime galėjo atsirasti tokia tobulybė, tokia vyksmų darna tokioje mažoje, akimi neįžiūrimoje sistemoje, kaip ląstelė. Juolab kad apie gyvybės attsiradimą duomenų labai nedaug ir tie netiesioginiai. Todėl nagrinėjant gyvybės atsiradimą daugiausia remiamasi bendrosiomis nūdienos mokslo žiniomis.

——————————————————————————–

Akivaizdu, kad gyvybė Žemėje galėjo pradėti formuotis Žemei pakankamai atvėsus. Aišku, kad iš karto negalėjo atsirasti sudėtingi organizmai, o tik patys paprasčiausi. Tačiau ir paprasčiausias organizmas, pvz., bakterija, turi keletą tūkstančių skirtingų biologinių makromolekulių ir dar daugiau mažų molekulių. Taigi logiška manyti, kad iš pradžių turėjo atsirasti mažos molekulės, tarp jų ir tos, iš kurių paskui susidarė ir makromolekulės, lėmusios gyvybės atsiradimą.

Dabar paagrindinės biologinės makromolekulės yra keturių tipų: 1) baltymai, kurie yra svarbiausias gyvybės darbininkas, nes dalyvauja ir vykdo visas gyvo organizmo funkcijas: mąstymą ir kalbėjimą, maitinimąsi ir judėjimą, naujo organizmo raidą; 2) DNR (deoksiribonukleorūgštis) ir kitos nukleorūgštys, kurios saugo ir perduoda ateinančioms kartoms ge

enetinę informaciją apie baltymus; 3) polisacharidai; 4) lipidai, vykdantys struktūrines ir energijos kaupimo funkcijas.

Išsamiau panagrinėsime kai kuriuos baltymų ir genų skaičiaus bei kilmės klausimus. Baltymus todėl, kad jie yra ne tik svarbiausi gyvybės darbininkai, bet ir iš esmės nulemiantys organizmo savybes. Baltymas yra makromolekulė, susidedanti iš ilgos grandinės aminorūgščių (tiksliau aminorūgščių liekanų, bet dėl trumpumo toliau vadinsime tik aminorūgštimis ir jas žymėsime AR). Pagrindinių, vadinamųjų kanoninių, AR yra 20. Baltymo molekulėje yra nuo keliasdešimties iki kelių šimtų AR, sukibusių kiekvienam baltymui savita skirtingų aminorūgščių tvarka.

Nukleorūgštis nagrinėsime dėl jų svarbos baltymų struktūrai. Kaip minėta, baltymai organizme daro viską, taigi vykdo ir visų molekulių sintezę, dalyvauja ir savisintezėje. Tačiau baltymai nežino, kokie jie yra, jie neturi informacijos apie baltymų aminorūgščių sekas. Ta informacija užžrašyta vienoje nukleorūgštyje – DNR makromolekulėse (kurių kopijas taip pat sintetina baltymai).

Kiekvieno baltymo molekulės aminorūgštį DNR molekulėje koduoja trijų gretimų nukleotidų seka, vadinama kodonu, t. y. kiekvieną aminorūgštį atitinka tam tikras kodonas. Šių kodonų seka ir yra informacija apie baltymo aminorūgščių seką. Kiekvieną baltymą atitinkanti kodonų seka laikoma genu. Jei baltyme yra pakeista viena (ar kelios) AR, tą pakitimą yra nulėmęs jo geno tam tikro (tam tikrų) kodono (kodonų) pasikeitimas, vadinamas mutacija. Todėl toliau šnekėdami apie baltymo AR pakeitimus vartosime ir

r jam prilygstančią geno mutacijos sąvoką. Štai vietoj sakę “baltymai skiriasi viena (ar keliomis) AR”, dažnai sakysime “jų genai skiriasi viena (ar keliomis) mutacija” arba tiesiog “baltymai skiriasi mutacija (ar mutacijomis)”. Kadangi vienas genas lemia nuo jo priklausomų vienodų baltymų sintezę, tai paprastai sakoma: “vienas genas – vienas baltymas”. Todėl kalbėdami apie kokį nors baltymą kaip sinonimą vartosime ir jį atitinkantį geną.

Kadangi baltymai susiję su visų organizmo funkcijų vykdymu, nuo jų priklauso organizmo savybės ir jie yra svarbiausia jo charakteristika. Taip pat nuo jų priklauso ir visų gyvybės formų įvairovė bei skirtumai tarp organizmų. Vadinasi, tiek skirtingų rūšių, šeimų ir t.t. organizmų, tiek ir tos pačios rūšies individų baltymai yra skirtingi.

Iš gyvybės tokios įvairovės kyla visai natūralus klausimas: o kiek skirtingų baltymų ir jų genų yra visoje gyvojoje gamtoje esančių (ir buvusių) skirtingų rūšių organizmuose. Kartu įdomu ir kiek iš viso gali būti skirtingų baltymų ir genų. Šie klausimai pasirodo yra ne tik įdomūs, bet sugretinti jie iškelia ir keblų baltymų bei genų kilmės paradoksą. Todėl toliau klausimą apie esamų ir galimų baltymų ir genų skaičius panagrinėsime išsamiau.

Pirmiausia reikia apibrėžti, kokius baltymus laikysime skirtingais, nes tai nėra paprastas klausimas. Štai visi žmonės turi hemoglobino baltymą ir, regis, visų jų

ų šį baltymą reikėtų laikyti vienodu. Tačiau iš tikrųjų žmogaus hemoglobino yra netoli 100 mutacijų, t.y. žmonija turi nemažai hemoglobino atmainų, kurios skiriasi bent viena aminorūgštimi. Šias hemoglobino atmainas jau reikia laikyti skirtingais baltymais. Todėl toliau baltymai bus laikomi skirtingais, kai skirsis bent viena aminorūgštimi. Taigi kiek skirtingų baltymų ir jų genų yra ir buvo visuose gyvuosiuose organizmuose?

Deja, tas skaičius kol kas nežinomas ir apskritai tikslaus skaičiaus nustatyti negalima, nes jį visą laiką keičia naujos mutacijos. Pagaliau tikslus baltymų skaičius mums ir nereikalingas, pakanka apytikriai jį įvertinti, bent jau apytikriai nustatyti jo dydžio eilę, pvz., ar jų yra ir buvo apie 1010, ar apie 1050?

Esamų baltymų įvairovei nustatyti patogu išskirti kelis lygius.

Pirmasis lygis yra skirtingų baltymų skaičius tam tikros rūšies vieno individo organizme. Kaip žinoma, skirtingų rūšių organizmai labai skiriasi savo dydžiu, pvz., pelės ir dramblio. Regis, ir įvairių baltymų skaičius juose taip pat turėtų būti labai skirtingas. Tačiau ir pelės, ir dramblio organizmai savo organais ir jų funkcijomis nėra labai skirtingi, t. y. nors jų organai skiriasi dydžiu ir svoriu, bet vykdo panašias funkcijas ir todėl tokių pat organų ląstelės turi panašius baltymus-fermentus, vykdančius tokias pat ar labai panašias reakcijas. Taigi pelės ir dramblio organizmuose skirtingų organų ir skirtingų tipų lą

ąstelių yra maždaug vienodai, o jų svorių didžiulį skirtumą lemia to paties organo vienodų lastelių labai skirtingas skaičius. Kadangi pelės ir dramblio skirtingų tipų ląstelių skaičius yra panašus, jose skirtingų baltymų ir genų skaičius taip pat yra artimas, t.y. pelė ir dramblys turi maždaug tiek pat skirtingų baltymų.

Tai netiesiogiai patvirtina ir pastaraisiais dešimtmečiais atliekami vienos šeimos ir visai skirtingų tipų organizmų baltymų palyginimai. Pasirodo, panašių savo sandara ir funkcija baltymų yra ne tik panašiuose organizmuose, pvz., žinduolių, bet kai kurie žmogaus ir mielių baltymai irgi yra panašūs. (Tiesa, paprastai nustatomi ne baltymai, o juos atitinkantys genai, nes šiuos nustatyti kur kas paprasčiau.)

Taigi, kiek skirtingų tipų baltymų-genų yra vienos rūšies individo organizme. Jau nustatyta keliasdešimties organizmų, tarp jų ir sudėtingo individo – žmogaus – organizmo genų kiekis (jis vadinamas genomu; šį projektą vykdė keliolika aukščiausio lygio laboratorijų kelerius metus). Paaiškėjo, kad žmogus turi apie 60 000 (6 x 104) skirtingų genų ir maždaug tiek pat skirtingų tipų baltymų (kai kurių baltymų yra po kelis pasikartojančius genus). Kitų daugialąsčių organizmų (vabzdžių, augalų, roplių ir kt.) skirtingų genų-baltymų skaičius apytikriai įvertinamas pagal DNR kiekį ląstelėje. Laikoma, kad jie turi nuo keliolikos iki dvidešimties ar keliasdešimties tūkstančių (pvz., žmogaus) genų-baltymų. Net vienaląstis organizmas mielės turi apie 5 tūkst. genų. Mažų organizmų bakterijų genome yra 1-3 tūkst. genų, o virusų ar fagų genome – nuo keliasdešimties iki kelių šimtų genų.

Skirtingų rūšių organizmuose, nuo vienaląsčių iki daugialąsčių, genome yra nuo kelių iki keliasdešimt tūkstančių genų ir maždaug tiek pat skirtingų baltymų. Norint susidaryti vaizdą, kiek skirtingų baltymų yra ir buvo visose esamose ir buvusiose gyvybės formose, tarsime, kad vidutiniškai viename “suvidurkintame” organizme yra apie 10 tūkst. (104) skirtingų baltymų-genų, o skirtingų rūšių yra apie 10 mln. (107 ) . O imant visų rūšių po vieną individą-atstovą pirmajame lygyje gausime apie 104 x 107 = 1011, gal 1012, skirtingų baltymų-genų.

Kitas lygis yra skirtingų baltymų skaičius visuose vienos rūšies individų organizmuose, pvz., visos žmonijos ar visoje varnų populiacijoje. Kaip jau aukščiau minėta, žmogaus hemoglobino molekulių yra gana daug atmainų (alelių). Todėl galima manyti, kad ir kiti baltymai taip pat gali turėti bent po dvi ar daugiau mutacijų – pakeistų aminorūgščių.

Vieno tipo baltymai, kurie, kaip ir skirtingos hemoglobino molekulės, skiriasi minėtosiomis dviem ar keliomis aminorūgštimis, sugeba geriau ar blogiau atlikti savo funkciją ir šios mutacijos nesukelia organizmo žūties. Tokias mutacijas galima vadinti neutraliomis. Tačiau dėl jų atsiranda tos pačios rūšies organizmų savybių skirtumų. Pvz., žmonių fizinių (ūgis, veido bruožai ir kt.) ir psichinių (emocingumas, mąstymas, polinkiai ir kt.) savybių skirtumai. Vadinasi, žmonės, kaip ir kitų rūšių organizmai, yra skirtingi dėl neutraliųjų mutacijų. Neutraliosios mutacijos nulemia ir audinių nesuderinamumą, o tai didžiausia kliūtis organams persodinti.

Kadangi neutraliųjų mutacijų skaičius net labai apytikriai nėra žinomas, tai galima tik maždaug įvertinti visų neutraliųjų mutacijų skaičių ribas laikant, pvz., kad vidutiniškai vieno baltymo neutraliųjų mutacijų skaičius vienos rūšies individų populiacijoje yra 2 ar 10. Tada neutraliųjų mutacijų skaičius vienoje populiacijoje yra tarp 2 x 104 ir 105 (kaip aukščiau “suvidurkintame” individe 104 skirtingų baltymų). Visuose esamuose ar buvusiuose organizmuose neutraliųjų mutacijų skaičių galima apytikriai įvertini tarp 1011 x 2 104 = 2 x 1015 ir 1012 x 105 = 1017.

Remiantis šiomis (nors mažai pagrįstomis) prielaidomis galima įvertinti ir kiek vienos populiacijos skirtingų individų, pvz., žmonių, gali būti, jei susidarytų visos kombinacijos neutraliųjų mutacijų, lemiančių įvairių tos pačios rūšies individų skirtingumą. Tiesa, nebūtinai visos neutraliosios mutacijos sukelia pastebimus organizmų skirtumus ir galbūt ne visų baltymų neutraliosios mutacijos yra svarbios organizmų skirtumams. Todėl galima manyti, kad tik nedidelė dalis baltymų, kad ir 1 proc., turi neutraliąsias mutacijas, svarbias vienos rūšies organizmų skirtumams.

Tarkime, žmonių tarpusavio skirtumus lemia apie 600 baltymų-genų, kurių kiekvienas turi tik po 2 neutraliąsias mutacijas. Tada pagal 1 baltymą gali būti 2 skirtingi žmonės, pagal 2 – 4, pagal 3 – 8, . .pagal 10 – apytikriai 1000 (103), o visuose 600-tuose baltymų gali būti neįsivaizduojamas astronominis 10180 skirtingų žmonių skaičius. Taigi, net taip drastiškai sumažinus neutraliųjų mutacijų kiekį, galimas skirtingų žmonių skaičius yra nepalyginti didesnis už dabar esamus 6 milijardus (6 x 109) ir panašaus skaičiaus buvusių. Laikant, kad vieno tipo baltymuose yra dar daugiau neutraliųjų mutacijų, galimas skirtingų žmonių skaičius bus dar didesnis.

Be šių neutraliųjų mutacijų, kurios skiria vieną individą nuo kito vienos rūšies populiacijoje, yra mutacijų, kurios skiria vieną rūšį nuo kitos, t.y. mutacijų, nuo kurių priklauso skirtumai tarp skirtingų rūšių, šeimų, genčių ir t.t. Šios mutacijos, kaip ir aptartosios neutraliosios mutacijos, atsirado atsitiktinai, bet jos lėmė naujų rūšių atsiradimą ir apskritai visos gyvybės įvairovę.

Jų skaičiui (kuris irgi nėra net apytikriai žinomas) įvertinti baltymus galima suskirstyti į dvi grupes. Viena grupė baltymų vykdo funkcijas, bendras visiems organizmams nuo paprasčiausių iki sudėtingiausių, yra labai konservatyvūs ir mažai skiriasi visuose organizmuose. Tokie yra baltymai, vykdantys nukleorūgščių, baltymų ir kitų bendrų biologinių makromolekulių ir jas sudarančių mažųjų molekulių sintezę, taip pat baltymų, susijusių su energine apykaita, citoskeletu ir kitų gyvybiškai svarbių medžiagų apykaita.

Kita grupė baltymų jau yra susijusi su specifinėmis rūšies organizmo sandaros bei gyvenimo funkcijomis. Šių baltymų skirtumus nulėmusias mutacijas, nors dėl jų organizmas nežūva, jau negalima laikyti neutraliosiomis. Tokius baltymus vadinsime specifiniais, jų mutacijas taip pat specifinėmis. Kiek šiai grupei reikėtų priskirti baltymų, nėra aišku, tačiau jų turėtų būti šimtai ar net tūkstančiai. Šių baltymų mutacijų skaičius, lemiantis visą organizmų įvairovę, neturėtų būti labai didelis, nes ir labai skirtingų organizmų daugelis baltymų labai panašūs. Įvertinimui tarkime, kad įvairių organizmų skirtumai priklauso nuo 1000 specifinių baltymų, kuriuose yra tik po 2 skirtingas aminorūgštis – specifines mutacijas. Taigi kiekviena rūšis turi po 1000 specifinių mutacijų ir jų visose rūšyse bus 107 x 103 1010. Tai yra daug mažiau negu neutralių mutacijų, kurių, kaip matėme, apie 1015. Tuo tarpu galimų skirtingų organizmų skaičius — 21000 10300 — yra milžiniškas. Kaip matyti, skirtingų organizmų yra ar buvo kur kas mažiau nei jų gali būti.

Aišku, dauguma šias specifines mutacijas turinčių organizmų nebūtų gyvybingi, kiti nerastų išgyvenimui tinkamos aplinkos – ekologinės nišos, tačiau net jei gyvybingų organizmų būtų tik vienas iš milijardo, visų kitų galimų gyvybingų organizmų skaičius 10290 vis vien yra daug didesnis už dabar esamų ar buvusių. Regis, evoliucija dar toli gražu neišnaudojo savo galimybių kurti ne tik naujas rūšis, bet gal net ir naujus tipus ar skyrius, kitokius nei dabar yra.

Tokia maža dalis esamų ir buvusių organizmų palyginus su galimais yra todėl, kad vaikai yra panašūs į savo tėvus, tiksliau sakant vaikai paveldi tokius pat genus (taigi ir baltymus), kokius turėjo jų tėvai. (Tačiau jų genų-baltymų mišinio lemiamosios savybės nebūtinai yra tokios pat, kaip tėvų.) Apskritai gyvybingos mutacijos, tiek neutraliosios, tiek specifinės yra retos išimtys – iš tūkstančių ar iš milijonų palikuonių – viena.

Taigi skirtumai tarp vienos rūšies ir tarp skirtingų rūšių organizmų priklauso nuo baltymų aminorūgščių pasikeitimų – mutacijų. Šios mutacijos įvyksta atsitiktinai ir bet kuriame kodone, tik natūralioji atranka atrenka gyvybingus tos pačios rūšies ar į kitą rūšį evoliucionuojančius organizmus. O kiek iš viso gali būti tokių atsitiktinių skirtingų mutacijų, kiek iš viso yra galimų skirtingų baltymų ir genų?

Žinome, kad dabartiniuose baltymuose esama 20 kanoninių aminorūgščių. Kiekvieną baltymo molekulę sudaro seka įvairių aminorūgščių, sukibusių į vieną neišsišakojusią grandinę. Įvairių baltymų molekulės skiriasi savo aminorūgščių seka ir skaičiumi, t. y. pirmine struktūra. Taigi pirminė struktūra nusako, kokia aminorūgštis yra pirmoje, antroje, trečioje. . ir paskutinėje vietoje. Teoriškai bet kuri iš 20 kanoninių aminorūgščių gali būti bet kurioje pirminės stuktūros vietoje, t.y. pirmoje, antroje, trečioje ir t.t. nuo baltymo pradžios vietoje.

Pagal baltymo pradžią – pirmąją AR galimų skirtingų baltymų yra 20. Pirmoje vietoje esant vienai kanoninei aminorūgščiai pagal antrą vietą gali būti irgi 20 skirtingų baltymų. Iš viso pagal pirmą ir antrą vietas gali būti 20 x 20=202=400 skirtingų baltymų. Esant bet kuriai iš 400 kombinacijų pirmose dviejose vietose trečioje padėtyje taip pat gali būti bet kuri iš 20 kanoninių aminorūgščių, t.y. skirtingų baltymų bus 20 x 20 x 20=203=400 x 20=8000. Ketvirta vieta padidins galimų skirtingų baltymų skaičių iki 8000 x 20=204=160000=1,6 x 105. Jeigu baltymas susideda iš 100 kanoninių aminorūgščių, skirtingų baltymų skaičius bus lygus dvidešimt sudaugintų šimtą kartų, t.y. 20100 10130. Jei baltymo molekulė turi 200 aminorūgščių, skirtingų baltymų bus 20200 10260. Kaip matyti, ir galimų skirtingų baltymų skaičiai yra superastronominiai.

Taip pat daug didesnis yra ir galimų genų skaičius už esamų ir buvusių genų skaičių. DNR molekulę, kurioje yra iki kelių tūkstančių genų, sudaro į grandinę sukibę keturi skirtingi nukleotidai. Bet vieną aminorūgštį koduoja trys kodoną sudarantys nukleotidai, todėl genas turi trigubai daugiau nukleotidų nei jį atitinkantis baltymas aminorūgščių. Taip turinčių 100 AR baltymus atitinkančių galimų genų yra 4300 =(22)300 =(210) 60 (103)60 =10180 . Taigi galimų genų skaičius yra dar didesnis nei galimų baltymų.

Kaip aukščiau įvertinome visuose esamuose ar buvusiuose organizmuose yra ir buvo 1015 -1017 skirtingų baltymų. Šis skaičius yra neįsivaizduojamai kartų (daugiau kaip 10200) mažesnis už galimų skirtingų rūšių organizmų ir galimų skirtingų baltymų skaičius, kurie nepalyginti didesni už buvusių ir esamų.

Kyla klausimas, kaip iš tokio neįsivaizduojamai didelio skaičiaus galimų baltymų ir organizmų atsirinko ir dabar egzistuoja ar buvo kaip tik tokie baltymai ar organizmai. Juk pirmykštėje Žemėje nukleorūgštys ir baltymai turėjo atsirasti spontaniškai, t.y. atsitiktinai susisintetino kažkoks genas ar baltymas ir iš jų natūraliai atsirinko buvę ar dabar esantys. Bet tada turėjo susisintetinti visi galimi baltymai, o tai tikrai neįmanoma.

Iš tikrųjų, vieno vidutinio baltymo molekulinė masė yra apie 50 000, taigi 50 kg svorio baltymų masėje yra tik apie 6 x 1023 molekulių. Net jei susisintetinusių baltymų svoris būtų lygus visos Žemės masei ir tai skirtingų baltymų būtų “tik” apie 1047, o tai yra dar daug mažiau nei galimų baltymų.

Taigi susidaro paradoksali situacija: visi galimi baltymai-genai negalėjo susisintetinti, bet kažkodėl susisintetino tik neįsivaizduojamai maža dalis baltymų, kurie pasirodė kaip tik tokie, kokių reikia gyvybei funkcionuoti. Klausimas, kaip iš tokios daugybės galimų baltymų ir genų atsirinko tokia nedidelė dalis esamų ir buvusių baltymų ir genų, yra vienas pagrindinių argumentų prieš atsitiktinį savaiminį gyvybės atsiradimą. Tad kaipgi Gamta išsprendė šį paradoksą? Ji tai padarė natūraliai ir gana paprastai.

Gyvybės pėdsakai – organinės molekulės, randamos uolienose, kurių amžius 3,5 milijardo metų (3,5 x 109 metų)! Pirmieji daugialąsčiai organizmai dumbliai pasirodė truputį daugiau nei prieš milijardą metų. Taigi iki susiformavo tobulos pavienės eukariotinės ląstelės – vienaląsčiai organizmai, kurie jau galėjo formuoti ląstelių sankaupą su kai kurių funkcijų pasiskirstymu, t.y. daugialąsčius organizmus, praėjo kur kas ilgesnis laiko tarpas – beveik 2 milijardai metų! Iš čia galima daryti išvadą, kad ląstelės sukūrimas buvo daug sudėtingesnis procesas nei vienos ląstelės dauginimasis iki keliasdešimties ir vis didesnių daugialąsčių organizmų. Galima manyti, kad pradinę ilgesniąją evoliucijos dalį Gamta gludino ląstelės baltymus ir drauge jų genus, kad jie galėtų tobulai darniai vykdyti reikalingas gyvybines ląstelės funkcijas.

Tad kaip prasidėjo gyvybės plėtotė? Kaip jau minėta, ir pradžių turėjo susidaryti mažos molekulės. Eksperimentai, imituojantys pirmykštės Žemės paviršių ir atmosferą, parodė, kad joje susidaro visas biologines makromolekules sudarančios mažos molekulės – monomerai. Be to, jos gali susijungti į trumpas grandinėles, kuriose yra kelios ar net keliolika monomerų. Tokios palyginti neilgos grandinėlės vadinamos oligomerais. Tačiau tokių neilgų nukleotidų grandinėlių ar mažų peptidų (peptidas yra baltymo pavadinimo sinonimas) – oligonukleotidų ar oligopeptidų skaičius jau yra kur kas mažesnis nei ilgųjų polipeptidų. Taip skirtingų oligopeptidų iš 10-ties AR yra 2010 1013, o iš 20-ties 2020 1026. Atitinkamai iš 30-ties nukleotidų bus 430 1018 oligonukleotidų ir iš 50-ties – 440 1030.

Molekulinė masė oligopeptido iš 20-ties AR yra apie 3000, t.y. 3 kg oligopeptidų turi 6 x 1023 tokių molekulių, o tokį skaičių oligonukleotidų iš 30-ties nukleotidų turi 15 kilogramų. Iš čia nesunku suskaičiuoti, kad visų galimų 20-ties AR oligopeptidų masė yra apie 0,5 tonos, o visų galimų iš 50-ties nukleotidų susidedančių oligonukleotidų masė yra apie 4000 tonų.

Kaip matyti, tokios masės oligonukleotidų ar oligopeptidų jau visai realiai galėjo susisintetinti milijonuose kvadratinių kilometrų jūrų pakrančių, prie jūrų dugne esančių gausių ugnikalnių. Žinoma, tokia gausybė oligopeptidų ar oligonukleotidų susisintetino gal ne per vienerius metus. Bet juk metų irgi buvo milijonai..

Tačiau ir šie oligopeptidai ir oligonukleotidai ne visi buvo tinkami gyvybei išsirutulioti. Tam, kad iš jų galėtų pradėti rastis gyvybė, jie privalėjo turėti keletą svarbių savybių. Pirmiausia jie turėjo sugebėti sintetinti sau tapačius oligomerus. Deja, pagal savo struktūrą ir AR savybes oligopeptidai negali sintetinti savo kopijų. Taigi jie negalėjo būti pradiniais pagrindiniais oligomerais, kurie davė užuomazgą gyvybei plėtotis, nors jų spontaniška savaiminė sintezė vyko nepriklausomai nuo oligopeptidų.

Tuo tarpu oligonukleotidai dėl savo azotinių bazių sugebėjimo tarpusavyje sudaryti dvi ar tris pakankamai stiprias vandenilines jungtis gali skatinti struktūriškai sau atitinkamų papildomų antrinių oligonukleotidų sintezę. Šie antriniai oligonukleotidai vėl sintetina sau papildomus oligonukleotidus, kurie jau sutampa su pradiniais oligonukleotidais. Taip po pirmojo ciklo vietoj vieno pradinio oligonukleotido jau bus du pirminiai oligonukleotidai ir papildomas antrinis oligonukleotidas. Vėlesniuose vienas po kito vykstančiuose cikluose atsiras vis daugiau pirminių ir papildomų antrinių oligonukleotidų.

Regis, kad taip jų kiekis turėtų nuolat didėti. Tačiau susisintetinę oligonukleotidai chemiškai nėra labai stabilūs, po kurio laiko jie suyra. Todėl ilgainiui nusistovi jų pastovus kiekis. Kad tam tikrų oligonukleotidų susidarytų daug, jie turi būti pakankamai stabilūs. Taigi tarp visų susisintetinančių oligonukleotidų išlieka tik tie, kurių cheminis stabilumas leidžia susidaryti pakankamam jų kiekiui. Taigi antroji savybė, kurią turi turėti pradiniai gyvybės oligomerai, yra jų didelis stabilumas.

Pakankamai stabilių oligonukleotidų gausėjimas, o nestabilių oligonukleotidų kiekio santykinis mažėjimas rodo, kad jau pačioje pradinėje molekulių savisintezės Žemėje stadijoje prasidėjo atranka, kuri vėliau išsirutuliojo į natūraliąją atranką.

Tačiau jei pradiniai oligonukleotidai būtų turėję tik šias dvi savybes, gyvybė dar nebūtų galėjusi išsiplėtoti. Todėl, be šių savybių, kiekvienas jų turėjo sugebėti vykdyti ir dar kitų molekulių sintezę.

Kad oligopeptidai iš principo galėtų skatinti kai kurias reakcijas, neatrodo nuostabu, nes jie yra lyg maži baltymai-fermentai. Tačiau pasirodo, kad ir oligonukleotidai, be savęs atgaminimo, sugeba skatinti dar ir kitų molekulių sintezę, t.y. jie irgi gali būti katalizatoriai. Ir šių reakcijų svarbiausia buvo oligonukleotidų gebėjimas sujungti aminorūgštis peptidinėmis jungtimis, t.y. iš aminorūgščių sintetinti oligopeptidus. Tai buvo pirmas kooperacijos žingsnis tarp oligonukleotidų ir oligopeptidų. Greičiausiai tai jau buvo dabartinio baltymų sintezės įrenginio – ribosomos – užuomazga.

Tolesnis kooperacijos žingsnis turėjo būti tam tikros sekos oligopeptidų sintezė nuo tam tikro oligonukleotido. Tai buvo baltymų sintezės nuo genų pradžia (nors kol kas neaišku kaip tai įvyko). Taip pirmykščių jūrų pakrantėse, kurios užėmė didelius plotus, susidarė pirmykštė terpė (Oparinas ją pavadino buljonu), kurioje spontaniškai atsirasdavo ir išnykdavo įvairiausios oligonukleotidų ir oligopeptidų kombinacijos.

Šioje pradinėje molekulių savisintezės stadijoje spontaniškai galėjo susidaryti ir susidarė visi galimi oligonukleotidai ir oligopeptidai. Tarp šių atsitiktinių kombinacijų buvo ir tokių, kurias sudarė oligonukleotidas, sintetinantis oligopeptidą, o šis savo ruožtu vykdo oligonukleotido kopijų sintezę daug greičiau nei savaiminė ir chaotiška reprodukcija. Tokios oligonukleotidų ir oligopeptidų kombinacijos, kurias jau reikėtų laikyti kooperacija ir kurios kartais vadinamos hiperciklais, nustelbė kitus, nes jie daug greičiau už kitus dauginosi. Tai buvo natūralios atrankos pradžia.

Tokio uždaro hiperciklo susidarymą reikėtų laikyti kitu pirmykštės terpės evoliucijos žingsniu. Tačiau šie paprasčiausieji kooperaciniai hiperciklai jau turėjo svarbiausią gyvybės savybę – jie dauginosi, t. y. sintetino į save panašius “organizmus” – hiperciklus.

Gali būti, kad pirmykščių oligopeptidų, pakankamai stabilių ir galinčių vykdyti paprasčiausias reakcijas, aidas dar jaučiamas ir šiuolaikiniuose baltymuose bei genuose. Dabartiniuose baltymuose yra išskiriami vadinamieji motyvai, kuriuose yra nuo keliolikos iki keliasdešimt AR. Jie kartojasi įvairiuose baltymuose, vykdančiuose visai skirtingas funkcijas. Antra vertus, dabar baltymuose išskiriamas atskiras autonominis struktūrinis darinys – domenas, kuriam taip pat priskiriama nuo keliolikos iki keliasdešimt AR.

Laikant, kad dabartiniuose baltymuose esama pirmykščių oligopeptidų, o genuose -pirmykščių oligonukleotidų aido, galima būtų natūrali prielaida apie pirmykščių oligonukleotidų ir oligopeptidų jungimąsi į progenus ir probaltymus. Todėl kitas gyvybės plėtros žingsnis buvo oligonukleotidų ir oligopeptidų susijungimas į didesnes grandines ir polinukleotidų bei polipeptidų hiperciklų sudarymas. Tą jau nesunkiai galėjo atlikti ištobulėję oligonukleotidų ir oligopeptidų hiperciklai. Tai jau buvo šiuolaikinių genų ir baltymų kooperacijos prototipai.

Čia galima iškelti klausimą, o kiek reikia skirtingų oligopeptidų, kad galėtų susidaryti visi esami ir buvę polipeptidai. Tarkime, kad vienas polipeptidas susidaro iš 5 oligopeptidų, o polipeptidų-baltymų kaip įvertinome yra apie 1015–1016. Turime lygtį X5 1015, iš kurios aiškiai matyti, kad reikėjo ne mažiau kaip tūkstančio (103) oligopeptidų, kad iš jų susidarytų visi esami ir buvę baltymai. Tokius oligopeptidus galima pavadinti prasmingaisiais. Šie prasmingieji oligopeptidai iš karto atsirinko iš galimų oligopeptidų, kurių, kaip matėme, yra gerokai daugiau – maždaug apie 1026 –10 30.

Tuo tarpu galimų oligonukleotidų skaičių apytikriai įvertinome maždaug apie 1030 . Tačiau oligonukleotidų atranka nebuvo tokia griežta, todėl galėjo išlikti ir neprasmingieji oligonukleotidai ir iš jų susidaryti neprasmingieji polinukleotidai. Gali būti, kad dabar organizmų genome užimanti didesnę dalį DNR neprasmingosios sekos (intronai) yra šių neprasmingųjų oligonukleotidų ir polinukleotidų reliktas.

Kaip oligonukleotidų ir oligopeptidų, taip ir polinukleotidų ir polipeptidų hiperciklai galėjo gaminti ne tik tokius pat, bet ir į save panašius hiperciklus. Mat pirmykščių hiperciklų polinukleotidai ir polipeptidai nebuvo tobuli ir darydavo daug klaidų. Todėl tarp tokių pat hiperciklų iš pradžių buvo gana daug panašių – šiek tiek besiskiriančių hiperciklų. Ilgainiui tokių hiperciklų polinukleotidų ir polipeptidų įvairovė didėjo. Jungiantis įvairiems hiperciklams formavosi pirmykštės ląstelės – proląstelės ir dėl to visų gyvybės formų genai, baltymai ir kitos molekulės supanašėjo.

Dabartinėje ląstelėje yra daugybė genų-baltymų, nuo kurių priklauso skirtingi procesai. Tai rodo, kad nūdienos ląstelė apima daug hiperciklų. Tikriausiai nebuvo lengva jiems suderinti savo veiklą – dėl to proląstelės tobulėjo apie 2 milijardus metų (o daugialąsčių organizmų evoliucija truko tik daugiau kaip milijardą metų). Tai rodo, kad tobulai ląstelei susidaryti buvo daug sudėtingiau nei joms susijungti į kooperuotą sistemą – daugialąstį organizmą.

Tokia pirmykštė gyvybės formavimosi raida išsprendžia ir pradžioje minėtąjį paradoksą, jog negalima išbandyti visų galimų baltymų ir genų, todėl ir nėra įmanomas spontaniškas gyvybės atsiradimas. Iš tikrųjų, spontaniškas gyvybės atsiradimas nebūtų įmanomas, jei laikytume, kad iš pat pradžių sintetinosi dabartinio dydžio genai ir baltymai. Tuo tarpu oligonukleotidų ir oligopeptidų sintezė pradinėje gyvybės plėtros stadijoje gyvybės išsiplėtojimą į šiuolaikinę daro ne tik įmanomą, bet ir neišvengiamą.

Kaip matėme, oligonukleotidų ir oligopeptidų galimų variantų yra tiek, kad pirmykštėje terpėje buvo galima išbandyti visus jų galimus variantus. Taigi turėjo atsirinkti visi hiperciklai, tinkami tobulai gyvybei išsiplėtoti.Tai reiškia, kad biocheminė gyvybės sudėtis (nukleorūgštys, baltymai ir kt.) Žemėje yra galima tik tokia, kokia dabar yra. Ar gyvybė apskritai Visatoje gali būti tik tokios biocheminės sudėties kaip ir Žemėje, galima atsakyti tik nagrinėjant atomų ir jų sudaromų molekulių savybes.

Ir dar vienas klausimas: ar iš tokios biocheminės sudėties hiperciklų kilo visos galimos gyvybės formos – karalijos, ar dar liko nepanaudotų? Kitaip sakant, kiek dar liko neišnaudotų evoliucijos galimybių? Iš aukščiau pateiktų įvertinimų atrodo, kad evoliucijos galimybės dar toli gražu nėra išsemtos. Tačiau lieka neaišku, kiek dabar Žemėje, kai, regis, visos ekologinės nišos yra užimtos, galės atsirasti visiškai naujų stambesnių daugialąsčių organizmų. Neskaitant vabzdžių ar į juos panašių organizmų, juo labiau vienaląsčių, kurių generacijos laikas gana trumpas, kitimas gana greitas ir neaišku, ar dar nėra jiems laisvų nišų.

——————————————————————————–

Leave a Comment