Asal yang Lebih Sederhana untuk Kehidupan


: "Pada titik tertentu, sebuah molekul yang luar biasa terbentuk secara tidak sengaja. Kami akan menyebutnya Replikator . Mungkin bukan molekul terbesar atau paling kompleks di sekitarnya, tetapi memiliki sifat luar biasa karena mampu membuat salinan dirinya sendiri. " Ketika Dawkins menulis kata-kata ini 30 tahun yang lalu, DNA adalah kandidat yang paling mungkin untuk peran ini

: "Pada titik tertentu, sebuah molekul yang luar biasa terbentuk secara tidak sengaja. Kami akan menyebutnya Replikator . Mungkin bukan molekul terbesar atau paling kompleks di sekitarnya, tetapi memiliki sifat luar biasa karena mampu membuat salinan dirinya sendiri. " Ketika Dawkins menulis kata-kata ini 30 tahun yang lalu, DNA adalah kandidat yang paling mungkin untuk peran ini. Seperti yang akan kita lihat, beberapa replikator lain sekarang telah disarankan.

Saat RNA Menguasai Dunia

Sayangnya, komplikasi segera terjadi. Replikasi DNA tidak dapat dilanjutkan tanpa bantuan sejumlah protein - anggota keluarga molekul besar yang secara kimia sangat berbeda dari DNA. Protein, seperti DNA, dibangun dengan menghubungkan subunit, asam amino dalam hal ini, bersama-sama untuk membentuk rantai panjang. Sel menggunakan dua puluh blok pembangun ini dalam protein yang mereka buat, yang menghasilkan berbagai produk yang mampu melakukan banyak tugas berbeda - protein adalah pengrajin sel hidup. Subkelas mereka yang paling terkenal, enzim, bertindak sebagai ekspeditor, mempercepat proses kimia yang seharusnya berlangsung terlalu lambat untuk berguna bagi kehidupan.

Kisah di atas mengingatkan teka-teki lama: Mana yang lebih dulu, ayam atau telur? DNA memegang resep untuk konstruksi protein. Namun informasi itu tidak dapat diambil atau disalin tanpa bantuan protein. Molekul besar mana yang muncul pertama kali dalam memulai kehidupan - protein (ayam) atau DNA (telur)?

Solusi yang mungkin muncul ketika perhatian beralih ke juara baru - RNA. Kelas molekul serbaguna ini, seperti DNA, dirakit dari blok-blok pembangun nukleotida, tetapi memainkan banyak peran dalam sel-sel kita. RNA tertentu membawa informasi dari DNA ke struktur (yang sebagian besar dibangun dari RNA jenis lain) yang menyusun protein. Dalam menjalankan berbagai tugasnya, RNA dapat berbentuk heliks ganda yang menyerupai DNA, atau untaian tunggal yang terlipat, seperti halnya protein. Pada tahun 2006, hadiah Nobel dalam bidang kimia dan kedokteran diberikan untuk penemuan tentang peran RNA dalam mengedit dan menyensor instruksi DNA. Warren E. Leary dapat menulis di New York Times bahwa RNA "dengan cepat muncul dari bayang-bayang DNA sepupunya yang lebih terkenal."

Bagi banyak ilmuwan di bidang asal kehidupan, bayang-bayang itu telah terangkat dua dekade sebelumnya dengan penemuan ribozim, zat mirip enzim yang terbuat dari RNA. Sebuah solusi sederhana untuk teka-teki ayam-dan-telur kini tampak jatuh ke tempatnya: Kehidupan dimulai dengan munculnya molekul RNA pertama. Dalam sebuah artikel germinal 1986, Peraih Nobel Walter Gilbert dari Universitas Harvard menulis dalam jurnal Nature : "Orang dapat merenungkan sebuah dunia RNA, yang hanya mengandung molekul RNA yang berfungsi untuk mengkatalisasi sintesis diri mereka sendiri. & Langkah pertama evolusi dimulai kemudian oleh RNA molekul yang melakukan aktivitas katalitik yang diperlukan untuk merakit diri dari sup nukleotida. " Dalam visi ini, RNA replikasi-diri pertama yang muncul dari benda mati menjalankan fungsi yang sekarang dijalankan oleh RNA, DNA, dan protein.

Sejumlah petunjuk tambahan tampaknya mendukung gagasan bahwa RNA muncul sebelum protein dan DNA dalam evolusi kehidupan. Banyak molekul kecil, yang disebut kofaktor, memainkan peran penting dalam reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Kofaktor ini sering membawa nukleotida RNA yang melekat tanpa fungsi yang jelas. Struktur ini telah dianggap sebagai "fosil molekuler, " peninggalan turun dari waktu ketika RNA sendiri, tanpa DNA atau protein, menguasai dunia biokimia. Selain itu, ahli kimia telah dapat mensintesis ribozim baru yang menampilkan berbagai aktivitas mirip enzim. Banyak ilmuwan menemukan gagasan tentang organisme yang mengandalkan ribozim, daripada enzim protein, sangat menarik.

Hipotesis bahwa kehidupan dimulai dengan RNA disajikan sebagai realitas yang mungkin, daripada spekulasi, dalam jurnal, buku teks dan media. Namun petunjuk yang saya kutip hanya mendukung kesimpulan yang lebih lemah bahwa RNA mendahului DNA dan protein; mereka tidak memberikan informasi tentang asal usul kehidupan, yang mungkin melibatkan tahapan sebelum dunia RNA di mana makhluk hidup lainnya berkuasa. Sama saja, dan meskipun ada kesulitan yang akan saya bahas di bagian berikutnya, mungkin dua pertiga ilmuwan menerbitkan bidang asal-kehidupan (sebagaimana dinilai oleh sejumlah makalah yang diterbitkan pada 2006 di jurnal Origins of Life and Evolution) Biosphere ) masih mendukung gagasan bahwa kehidupan dimulai dengan pembentukan RNA spontan atau molekul penyalinan-diri yang terkait. Yang membingungkan, para peneliti menggunakan istilah "Dunia RNA" untuk merujuk pada klaim kuat dan lemah tentang peran RNA sebelum DNA dan protein. Di sini, saya akan menggunakan istilah "RNA pertama" untuk klaim kuat bahwa RNA terlibat dalam asal usul kehidupan.

Ketel Sup Kosong

Fitur-fitur menarik dari RNA World mendorong Gerald Joyce dari Scripps Research Institute dan Leslie Orgel dari Salk Institute untuk menggambarkannya sebagai "impian ahli biologi molekuler" dalam volume yang dikhususkan untuk topik itu. Mereka juga menggunakan istilah "mimpi buruk ahli kimia prebiotik" untuk menggambarkan bagian lain dari gambar: Bagaimana RNA replikasi diri pertama kali muncul? Rintangan besar menghalangi gambar Gilbert tentang asal usul kehidupan, cukup untuk memancing seorang Nobelist lain, Christian De Duve dari Universitas Rockefeller, untuk bertanya secara retoris, "Apakah Tuhan membuat RNA?"

Blok pembangun RNA, nukleotida, adalah zat kompleks ketika molekul organik bergerak. Masing-masing mengandung gula, fosfat, dan satu dari empat basa yang mengandung nitrogen sebagai sub-sub unit. Dengan demikian, masing-masing nukleotida RNA mengandung 9 atau 10 atom karbon, banyak atom nitrogen dan oksigen dan gugus fosfat, semuanya terhubung dalam pola tiga dimensi yang tepat. Ada banyak cara alternatif untuk membuat koneksi tersebut, menghasilkan ribuan nukleotida masuk akal yang dapat dengan mudah bergabung menggantikan yang standar tetapi tidak terwakili dalam RNA. Angka itu sendiri dikerdilkan oleh ratusan ribu hingga jutaan molekul organik stabil dengan ukuran serupa yang bukan nukleotida.

Nukleotida RNA akrab bagi ahli kimia karena kelimpahan dalam kehidupan dan ketersediaan komersial yang dihasilkan. Dalam bentuk vitalisme molekuler, beberapa ilmuwan menganggap bahwa alam memiliki kecenderungan bawaan untuk menghasilkan blok bangunan kehidupan secara istimewa, daripada gerombolan molekul lain yang juga dapat diturunkan dari aturan kimia organik. Ide ini mendapat inspirasi dari eksperimen terkenal yang diterbitkan pada tahun 1953 oleh Stanley Miller. Dia menerapkan pelepasan percikan api ke campuran gas sederhana yang kemudian dianggap mewakili atmosfer Bumi purba. Dua asam amino himpunan 20 yang digunakan untuk membangun protein terbentuk dalam jumlah yang signifikan, dengan yang lain dari himpunan hadir dalam jumlah kecil. (Deskripsi percobaan Miller dan struktur kimia asam amino dan nukleotida dapat ditemukan dalam "The Origin of Life on the Earth, " oleh LE Orgel;, Oktober 1994.) Selain itu, lebih dari 80 asam amino berbeda, beberapa yang hadir dan yang lain tidak ada dalam sistem kehidupan, telah diidentifikasi sebagai komponen meteorit Murchison, yang jatuh di Australia pada tahun 1969. Alam tampaknya bermurah hati dalam menyediakan pasokan blok-blok bangunan khusus ini. Dengan ekstrapolasi hasil ini, beberapa penulis menganggap bahwa semua bangunan kehidupan dapat dibentuk dengan mudah dalam eksperimen tipe Miller dan hadir dalam meteorit dan benda luar angkasa lainnya. Ini bukan kasusnya.

Pemeriksaan yang cermat terhadap hasil analisis beberapa meteorit membuat para ilmuwan yang melakukan pekerjaan itu pada kesimpulan yang berbeda: alam mati memiliki bias terhadap pembentukan molekul yang terbuat dari jumlah atom karbon yang lebih sedikit daripada jumlah yang lebih besar, dan dengan demikian tidak menunjukkan keberpihakan. mendukung menciptakan blok bangunan jenis kehidupan kita. (Ketika molekul-molekul yang mengandung karbon lebih besar diproduksi, mereka cenderung tidak dapat larut, zat-zat yang miskin hidrogen yang disebut oleh para ahli kimia organik.) Saya telah mengamati pola yang sama dalam hasil banyak percobaan pelepasan percikan api.

Asam amino, seperti yang diproduksi atau ditemukan dalam percobaan ini, jauh lebih kompleks daripada nukleotida. Ciri-cirinya yang menentukan adalah gugus amino (nitrogen dan dua hidrogen) dan gugus asam karboksilat (karbon, dua oksigen dan hidrogen) keduanya terikat pada karbon yang sama. Yang paling sederhana dari 20 yang digunakan untuk membangun protein alami hanya mengandung dua atom karbon. Tujuh belas dari set tersebut mengandung enam atau lebih sedikit karbon. Asam amino dan zat lain yang menonjol dalam percobaan Miller mengandung dua dan tiga atom karbon. Sebaliknya, tidak ada nukleotida dalam bentuk apa pun yang dilaporkan sebagai produk percobaan pelepasan busi atau dalam studi meteorit, juga tidak ada unit yang lebih kecil (nukleosida) yang mengandung gula dan basa tetapi tidak memiliki fosfat.

Untuk menyelamatkan konsep RNA-first dari cacat yang sebaliknya mematikan ini, para pendukungnya telah menciptakan disiplin yang disebut sintesis prebiotik. Mereka telah berusaha menunjukkan bahwa RNA dan komponennya dapat disiapkan di laboratorium mereka dalam urutan reaksi yang dikontrol dengan hati-hati, biasanya dilakukan dalam air pada suhu yang diamati di Bumi. Urutan seperti itu biasanya dimulai dengan senyawa karbon yang telah diproduksi dalam percobaan pelepasan busi atau ditemukan dalam meteorit. Pengamatan bahan kimia organik tertentu dalam jumlah berapa pun (bahkan sebagai bagian dari campuran kompleks) di salah satu sumber di atas akan membenarkan klasifikasinya sebagai "prebiotik, " suatu zat yang konon terbukti telah hadir di awal Bumi. Setelah diberikan perbedaan ini, bahan kimia kemudian dapat digunakan dalam bentuk murni, dalam jumlah berapa pun, dalam reaksi prebiotik lainnya. Produk dari reaksi semacam itu juga akan dianggap "prebiotik" dan digunakan pada langkah berikutnya dalam urutan.

Penggunaan urutan reaksi jenis ini (tanpa referensi ke asal usul kehidupan) telah lama menjadi praktik yang dihormati dalam bidang tradisional kimia organik sintetis. Penasihat tesis PhD saya sendiri, Robert B. Woodward, dianugerahi Hadiah Nobel untuk sintesis kuinin, kolesterol, klorofil dan banyak zat lainnya yang cemerlang. Tidak masalah jika kilogram bahan awal diperlukan untuk menghasilkan miligram produk. Intinya adalah demonstrasi bahwa manusia dapat menghasilkan, namun tidak efisien, zat yang ditemukan di alam. Sayangnya, baik ahli kimia maupun laboratorium tidak hadir di Bumi purba untuk menghasilkan RNA.

Saya akan mengutip satu contoh sintesis prebiotik, yang diterbitkan pada 1995 oleh Nature dan ditampilkan di New York Times . Sitosin basa RNA disiapkan dalam hasil tinggi dengan memanaskan dua bahan kimia yang dimurnikan dalam tabung gelas tertutup pada 100 derajat Celcius selama sekitar satu hari. Salah satu reagen, cyanoacetaldehyde, adalah zat reaktif yang mampu bergabung dengan sejumlah bahan kimia umum yang mungkin ada di Bumi purba. Pesaing ini dikeluarkan. Diperlukan konsentrasi yang sangat tinggi untuk membujuk peserta lain, urea, untuk bereaksi pada tingkat yang cukup agar reaksi berhasil. Produk, sitosin, dapat hancur sendiri dengan reaksi sederhana dengan air. Ketika konsentrasi urea diturunkan, atau reaksi dibiarkan berlanjut terlalu lama, setiap sitosin yang dihasilkan kemudian dihancurkan. Reaksi destruktif ini telah ditemukan di laboratorium saya, sebagai bagian dari penelitian berkelanjutan saya tentang kerusakan lingkungan pada DNA. Sel-sel kita sendiri mengatasinya dengan mempertahankan seperangkat enzim yang berspesialisasi dalam perbaikan DNA.

Konsentrasi urea yang sangat tinggi dirasionalisasi dalam makalah Nature dengan menerapkan visi pengeringan laguna di Bumi awal. Dalam bantahan yang diterbitkan, saya menghitung bahwa sebuah laguna besar harus diuapkan sampai seukuran genangan air, tanpa kehilangan isinya, untuk mencapai konsentrasi itu. Tidak ada fitur seperti itu ada di Bumi hari ini.

Klaim pengeringan laguna tidak unik. Dalam semangat yang sama, ahli kimia prebiotik lainnya telah memanggil danau glasial yang membeku, kolam air tawar di lereng gunung, aliran sungai, pantai, gurun kering, akuifer vulkanik, dan seluruh lautan global (beku atau hangat sesuai kebutuhan) untuk mendukung kebutuhan mereka bahwa "sup nukleotida" diperlukan untuk sintesis RNA entah bagaimana akan muncul di Bumi awal.

Analogi yang muncul dalam pikiran adalah bahwa seorang pegolf, yang telah memainkan bola golf melalui lapangan 18-lubang, kemudian mengasumsikan bahwa bola juga bisa bermain sendiri di sekitar lapangan tanpa kehadirannya. Dia telah menunjukkan kemungkinan acara tersebut; itu hanya perlu untuk menganggap bahwa beberapa kombinasi kekuatan alam (gempa bumi, angin, tornado dan banjir, misalnya) dapat menghasilkan hasil yang sama, diberikan waktu yang cukup. Tidak ada hukum fisik yang perlu dilanggar agar pembentukan RNA spontan terjadi, tetapi kemungkinan menentangnya sangat besar, sehingga saran tersebut menyiratkan bahwa dunia yang tidak hidup memiliki keinginan bawaan untuk menghasilkan RNA. Mayoritas ilmuwan asal kehidupan yang masih mendukung teori RNA-pertama menerima konsep ini (secara implisit, jika tidak secara eksplisit) atau merasa bahwa peluang yang sangat tidak menguntungkan hanya diatasi dengan keberuntungan.

Replikator yang Lebih Sederhana?

Banyak ahli kimia, dihadapkan dengan kesulitan-kesulitan ini, telah meninggalkan hipotesis RNA-pertama seolah-olah itu adalah sebuah bangunan terbakar. Satu kelompok, bagaimanapun, masih ditangkap oleh visi molekul yang menyalin sendiri, telah memilih jalan keluar yang mengarah ke bahaya yang serupa. Dalam teori-teori yang direvisi ini, replikator yang lebih sederhana muncul pertama dan mengatur kehidupan di "dunia pra-RNA." Variasi telah diusulkan di mana basa, gula atau seluruh tulang punggung RNA telah digantikan oleh zat yang lebih sederhana, lebih mudah diakses oleh sintesis prebiotik. Agaknya, replikator pertama ini juga akan memiliki kemampuan katalitik RNA. Karena tidak ada jejak replikator dan katalis hipotermal primal ini telah diakui sejauh ini dalam biologi modern, RNA pasti telah sepenuhnya mengambil alih semua fungsinya di beberapa titik setelah kemunculannya.

Lebih jauh, penampilan spontan dari pengganda semacam itu tanpa bantuan seorang ahli kimia menghadapi kemungkinan yang tidak masuk akal yang membuat mereka yang terlibat dalam persiapan sup nukleotida belaka. Mari kita anggap bahwa sup yang diperkaya dalam blok bangunan semua replikator yang diusulkan ini entah bagaimana telah dirakit, dalam kondisi yang mendukung koneksi mereka ke dalam rantai. Mereka akan disertai oleh gerombolan blok bangunan yang rusak, yang dimasukkan yang akan merusak kemampuan rantai untuk bertindak sebagai pengganda. Unit cacat yang paling sederhana adalah terminator, komponen yang hanya memiliki satu "lengan" yang tersedia untuk koneksi, daripada dua yang dibutuhkan untuk mendukung pertumbuhan rantai lebih lanjut.

Tidak ada alasan untuk mengandaikan bahwa sifat acuh tak acuh tidak akan menggabungkan unit secara acak, menghasilkan variasi yang sangat besar dari rantai pendek hibrida, daripada yang lebih lama dari geometri tulang punggung seragam yang diperlukan untuk mendukung fungsi replicator dan katalitik. Perhitungan probabilitas dapat dibuat, tetapi saya lebih suka variasi pada analogi yang banyak digunakan. Bayangkan seekor gorila (lengan yang sangat panjang diperlukan) pada keyboard besar yang terhubung ke pengolah kata. Keyboard tidak hanya berisi simbol-simbol yang digunakan dalam bahasa Inggris dan Eropa tetapi juga kelebihan yang sangat besar yang diambil dari setiap bahasa lain yang diketahui dan semua set simbol yang disimpan dalam komputer biasa. Peluang untuk perakitan replikator secara spontan di kolam yang saya jelaskan di atas dapat dibandingkan dengan gorila yang menyusun, dalam bahasa Inggris, resep yang koheren untuk persiapan cabai con carne. Dengan pertimbangan serupa, Gerald F. Joyce dari Scripps Research Institute dan Leslie Orgel dari Salk Institute menyimpulkan bahwa penampilan spontan rantai RNA di Bumi yang tak bernyawa "akan menjadi mukjizat yang dekat." Saya akan memperluas kesimpulan ini untuk semua pengganti RNA yang diusulkan yang saya sebutkan di atas.

Hidup Dengan Molekul Kecil

Peraih Nobel Christian de Duve menyerukan "penolakan terhadap ketidakmungkinan yang begitu tinggi sehingga hanya bisa disebut mukjizat, fenomena yang berada di luar ruang lingkup penyelidikan ilmiah." DNA, RNA, protein, dan molekul besar rumit lainnya harus disisihkan sebagai partisipan dalam asal usul kehidupan. Alam mati memberi kita berbagai campuran molekul kecil, yang perilakunya diatur oleh hukum ilmiah, bukan oleh intervensi manusia.

Untungnya, kelompok teori alternatif yang dapat menggunakan bahan-bahan ini telah ada selama beberapa dekade. Teori-teori menggunakan termodinamika daripada definisi genetik kehidupan, di bawah skema yang diajukan oleh Carl Sagan dalam Encyclopedia Britannica: Wilayah lokal yang meningkat dalam urutan (penurunan entropi) melalui siklus yang didorong oleh aliran energi akan dianggap hidup. Pendekatan molekul kecil ini berakar pada gagasan ahli biologi Soviet Alexander Oparin, dan juru bicara terkemuka saat ini termasuk de Duve, Freeman Dyson dari Institute for Advanced Study, Stuart Kauffman dari Santa Fe Institute, Doron Lancet dari Weizmann Institute, Harold Morowitz dari Universitas George Mason dan peneliti independen Gnter Wchtershuser. Saya memperkirakan bahwa sekitar sepertiga dari ahli kimia yang terlibat dalam studi tentang asal usul kehidupan berlangganan teori berdasarkan ide ini. Proposal asal usul kehidupan jenis ini berbeda dalam rincian spesifik; di sini saya akan mencoba daftar lima persyaratan umum (dan menambahkan beberapa ide saya sendiri).

(1) Batas diperlukan untuk memisahkan kehidupan dari non-kehidupan. Kehidupan dibedakan oleh tingkat pengorganisasiannya yang besar, namun hukum termodinamika kedua mensyaratkan bahwa alam semesta bergerak ke arah di mana gangguan, atau entropi, meningkat. Namun, celah memungkinkan penurunan entropi di area terbatas, asalkan peningkatan yang lebih besar terjadi di luar area. Ketika sel-sel hidup tumbuh dan berlipat ganda, mereka mengubah energi kimia atau radiasi menjadi panas secara bersamaan. Panas yang dilepaskan meningkatkan entropi lingkungan, mengkompensasi penurunan sistem kehidupan. Batas mempertahankan pembagian dunia ini ke dalam kantong-kantong kehidupan dan lingkungan yang tidak hidup di mana mereka harus mempertahankan diri.

Saat ini, membran sel berlapis ganda yang canggih, terbuat dari bahan kimia yang diklasifikasikan sebagai lipid, memisahkan sel hidup dari lingkungannya. Ketika kehidupan dimulai, beberapa fitur alami mungkin memiliki tujuan yang sama. David W. Deamer dari University of California, Santa Cruz, telah mengamati struktur seperti membran di meteorit. Proposal lain telah menyarankan batas alami yang tidak digunakan oleh kehidupan saat ini, seperti membran besi sulfida, permukaan mineral (di mana interaksi elektrostatik memisahkan molekul yang dipilih dari lingkungan mereka), kolam kecil dan aerosol.

(2) Sumber energi diperlukan untuk mendorong proses organisasi. Kita mengonsumsi karbohidrat dan lemak, dan menggabungkannya dengan oksigen yang kita hirup, untuk menjaga diri kita tetap hidup. Mikroorganisme lebih fleksibel, dan dapat menggunakan mineral sebagai pengganti makanan atau oksigen. Dalam kedua kasus, transformasi yang terlibat disebut reaksi redoks. Mereka melibatkan transfer elektron dari zat yang kaya (atau berkurang) ke elektron yang miskin (atau teroksidasi). Tumbuhan dapat menangkap energi matahari secara langsung, dan mengadaptasinya untuk fungsi kehidupan. Bentuk energi lain digunakan oleh sel dalam keadaan khusus - misalnya, perbedaan keasaman pada sisi berlawanan dari membran. Namun yang lain, seperti radioaktivitas dan perbedaan suhu yang tiba-tiba, dapat digunakan oleh kehidupan di tempat lain di alam semesta. Di sini saya akan mempertimbangkan reaksi redoks sebagai sumber energi.

(3) Mekanisme penggandeng harus menghubungkan pelepasan energi ke proses organisasi yang menghasilkan dan mempertahankan kehidupan. Pelepasan energi tidak selalu menghasilkan hasil yang bermanfaat. Energi kimia dilepaskan ketika bensin terbakar di dalam silinder mobil saya, tetapi kendaraan tidak akan bergerak kecuali energi itu digunakan untuk memutar roda. Koneksi mekanis, atau kopling, diperlukan. Setiap hari, di dalam sel kita sendiri, masing-masing dari kita mendegradasi satu pon nukleotida yang disebut ATP. Energi yang dilepaskan oleh reaksi yang menguntungkan ini berfungsi untuk mendorong proses yang kurang menguntungkan tetapi diperlukan untuk biokimia kita. Keterkaitan dicapai ketika reaksi berbagi perantara antara, dan proses dipercepat oleh intervensi enzim. Salah satu asumsi dari pendekatan molekul kecil adalah bahwa reaksi berganda dan katalis primitif yang cukup untuk memulai kehidupan ada di alam.

(4) Jaringan kimia harus dibentuk, untuk memungkinkan adaptasi dan evolusi. Sekarang kita sampai pada inti permasalahan. Bayangkan misalnya bahwa reaksi redoks yang menguntungkan secara energetik dari mineral yang terjadi secara alami terkait dengan konversi bahan kimia organik A menjadi B yang lain dalam kompartemen. Reaksi mineral yang menguntungkan, melepaskan energi, dan meningkatkan entropi mendorong transformasi A-ke-B. Saya menyebut transformasi kunci ini sebagai reaksi pengemudi, karena berfungsi sebagai mesin yang memobilisasi proses organisasi. Jika B hanya kembali ke A atau melarikan diri dari kompartemen, kita tidak akan berada di jalur yang mengarah ke peningkatan organisasi. Sebaliknya, jika jalur kimia multi-langkah - katakanlah, B ke C ke D ke A - mengubah B ke A, maka langkah-langkah dalam proses melingkar (atau siklus) akan disukai karena mereka mengisi kembali pasokan A, memungkinkan pelepasan energi berkelanjutan oleh reaksi mineral.

Jika kita memvisualisasikan siklus sebagai jalur kereta api melingkar, sumber energi membuat kereta melaju di satu arah. Setiap stasiun juga dapat menjadi hub untuk sejumlah jalur cabang, seperti satu stasiun penghubung D ke stasiun lain, E. Kereta bisa berjalan ke arah mana pun di sepanjang cabang itu, menghabiskan atau menambah lalu lintas siklus. Namun, berkat penipisan A yang berkesinambungan, material ditarik dari D ke A. Penipisan D yang dihasilkan cenderung menarik material dari E ke D. Dengan cara ini, material "ditarik" di sepanjang garis cabang ke tengah. siklus, memaksimalkan pelepasan energi yang menyertai reaksi pengemudi.

Siklus juga bisa beradaptasi dengan perubahan keadaan. Sebagai seorang anak, saya terpesona dengan cara air, yang dilepaskan dari hidran bocor, akan menemukan jalan menurun ke selokan terdekat. Jika daun yang jatuh atau sampah yang terhalang menghalangi jalan itu, air akan kembali naik sampai rute lain ditemukan di sekitar rintangan. Dengan cara yang sama, jika perubahan keasaman atau dalam beberapa keadaan lingkungan lainnya harus menghalangi langkah di jalur dari B ke A, material akan mundur hingga rute lain ditemukan. Perubahan tambahan dari jenis ini akan mengubah siklus asli menjadi jaringan. Eksplorasi percobaan-dan-kesalahan dari "lanskap" kimia ini mungkin juga menghasilkan senyawa yang dapat mengkatalisasi langkah-langkah penting dalam siklus, meningkatkan efisiensi dengan mana jaringan memanfaatkan sumber energi.

(5) Jaringan harus tumbuh dan berkembang biak. Untuk bertahan dan tumbuh, jaringan harus mendapatkan materi dengan kecepatan yang mengkompensasi jalur yang menghapusnya. Difusi bahan jaringan keluar dari kompartemen ke dunia eksternal disukai oleh entropi dan akan terjadi sampai batas tertentu, terutama pada awal kehidupan ketika batasnya adalah kasar yang dibuat oleh lingkungan daripada salah satu membran sel yang sangat efektif yang tersedia hari ini setelah miliaran tahun evolusi. Beberapa reaksi samping dapat menghasilkan gas, yang lepas, atau membentuk ter, yang akan keluar dari larutan. Jika proses-proses ini bersama-sama harus melebihi tingkat di mana jaringan memperoleh materi, maka itu akan padam. Keletihan bahan bakar eksternal akan memiliki efek yang sama. Kita dapat membayangkan, di Bumi awal, sebuah situasi di mana banyak startup jenis ini terjadi, melibatkan banyak reaksi penggerak alternatif dan sumber energi eksternal. Akhirnya, orang yang sangat tangguh akan berakar dan mempertahankan dirinya.

Suatu sistem reproduksi pada akhirnya harus berkembang. Jika jaringan kami ditempatkan dalam membran lipid, maka kekuatan fisik dapat membelahnya, setelah cukup tumbuh. (Freeman Dyson menggambarkan sistem seperti itu sebagai "dunia kantong sampah" berbeda dengan "pemandangan yang rapi dan indah" dari dunia RNA.) Suatu sistem yang berfungsi dalam kompartemen dalam suatu mineral dapat meluap ke kompartemen yang berdekatan. Apa pun mekanismenya, penyebaran ini ke dalam unit-unit yang terpisah melindungi sistem dari kepunahan total oleh peristiwa destruktif yang terlokalisasi. Begitu unit independen didirikan, mereka dapat berevolusi dengan cara yang berbeda dan bersaing satu sama lain untuk bahan baku; kita akan membuat transisi dari kehidupan yang muncul dari benda mati melalui aksi sumber energi yang tersedia ke kehidupan yang beradaptasi dengan lingkungannya oleh evolusi Darwin.

Mengubah Paradigma

Sistem dari tipe yang saya jelaskan biasanya telah diklasifikasikan di bawah judul "metabolisme pertama, " yang menyiratkan bahwa mereka tidak mengandung mekanisme untuk faktor keturunan. Dengan kata lain, mereka tidak mengandung molekul atau struktur jelas yang memungkinkan informasi yang tersimpan di dalamnya (keturunan mereka) digandakan dan diteruskan ke keturunan mereka. Namun koleksi barang-barang kecil menyimpan informasi yang sama dengan daftar yang menjelaskan barang-barang tersebut. Sebagai contoh, istri saya memberi saya daftar belanja untuk supermarket; koleksi barang belanjaan yang saya kembalikan berisi informasi yang sama dengan daftar. Doron Lancet telah memberi nama "genom komposisi" untuk hereditas yang disimpan dalam molekul-molekul kecil, daripada daftar seperti DNA atau RNA.

Pendekatan molekul kecil terhadap asal usul kehidupan membuat beberapa tuntutan terhadap alam (kompartemen, suplai energi eksternal, reaksi pengemudi yang digabungkan dengan suplai itu, dan keberadaan jaringan kimia yang mengandung reaksi itu). Namun, persyaratan ini bersifat umum, dan jauh lebih memungkinkan daripada jalur multi-langkah rumit yang diperlukan untuk membentuk molekul yang dapat berfungsi sebagai pengganda.

Selama bertahun-tahun, banyak makalah teoritis telah mengembangkan skema metabolisme pertama tertentu, tetapi penelitian eksperimental yang relatif sedikit telah disajikan dalam mendukung mereka. Dalam kasus-kasus di mana percobaan telah dipublikasikan, mereka biasanya berfungsi untuk menunjukkan masuk akal langkah-langkah individu dalam siklus yang diusulkan. Jumlah terbesar data baru mungkin berasal dari Gnter Wchtershuser dan rekan-rekannya di Technische Universitt Mnchen. Mereka telah menunjukkan bagian-bagian dari siklus yang melibatkan kombinasi dan pemisahan asam amino, dengan adanya katalis logam sulfida. Kekuatan pendorong yang energetik untuk transformasi dipasok oleh oksidasi karbon monoksida menjadi karbon dioksida. Mereka belum menunjukkan operasi siklus lengkap atau kemampuannya untuk mempertahankan dirinya sendiri dan menjalani evolusi lebih lanjut. Percobaan "pistol merokok" yang menampilkan ketiga fitur tersebut diperlukan untuk menetapkan validitas pendekatan molekul kecil.

Tugas awal utama adalah mengidentifikasi reaksi calon penggerak - transformasi molekul kecil (A ke B dalam contoh sebelumnya) yang digabungkan ke sumber energi eksternal yang berlimpah (seperti oksidasi karbon monoksida atau mineral). Setelah reaksi driver yang masuk akal telah diidentifikasi, seharusnya tidak perlu menentukan sisa sistem di muka. Komponen yang dipilih (termasuk sumber energi) ditambah campuran molekul kecil lainnya yang biasanya dihasilkan oleh proses alami (dan kemungkinan telah melimpah di Bumi awal) dapat dikombinasikan dalam bejana reaksi yang sesuai. Jika jaringan yang berkembang didirikan, kami akan mengharapkan konsentrasi peserta dalam jaringan meningkat dan berubah seiring waktu. Katalis baru yang meningkatkan laju reaksi kunci mungkin muncul, sementara bahan yang tidak relevan akan menurun jumlahnya. Reaktor akan membutuhkan perangkat input untuk memungkinkan pengisian kembali pasokan energi dan bahan baku, dan outlet untuk memungkinkan penghapusan produk limbah dan bahan kimia yang bukan bagian dari jaringan.

Dalam eksperimen semacam itu, kegagalan akan mudah diidentifikasi. Energi mungkin dihamburkan tanpa menghasilkan perubahan signifikan dalam konsentrasi bahan kimia lain atau bahan kimia mungkin hanya dikonversi menjadi tar, yang akan menyumbat peralatan. Keberhasilan mungkin menunjukkan langkah-langkah awal menuju kehidupan. Langkah-langkah ini tidak perlu menduplikasi langkah-langkah yang terjadi di Bumi awal. Lebih penting bahwa prinsip umum didemonstrasikan dan dibuat tersedia untuk penyelidikan lebih lanjut. Mungkin ada banyak jalan menuju kehidupan, dengan pilihan yang ditentukan oleh lingkungan setempat.

Pemahaman tentang langkah-langkah awal menuju kehidupan tidak akan mengungkapkan peristiwa spesifik yang mengarah pada organisme berbasis protein-DNA-RNA yang dikenal saat ini. Namun, karena kita tahu bahwa evolusi tidak mengantisipasi peristiwa di masa depan, kita dapat menganggap bahwa nukleotida pertama kali muncul dalam metabolisme untuk melayani beberapa tujuan lain, mungkin sebagai katalis atau sebagai wadah untuk penyimpanan energi kimia (nukleotida ATP masih melayani fungsi ini hari ini) . Beberapa peristiwa kebetulan atau keadaan mungkin telah menyebabkan koneksi nukleotida untuk membentuk RNA. Fungsi yang paling jelas dari RNA saat ini adalah untuk berfungsi sebagai elemen struktural yang membantu dalam pembentukan ikatan antara asam amino dalam sintesis protein. RNA pertama mungkin memiliki tujuan yang sama, tetapi tanpa preferensi untuk asam amino spesifik. Banyak langkah lebih lanjut dalam evolusi akan diperlukan untuk "menemukan" mekanisme rumit untuk replikasi dan sintesis protein spesifik yang kita amati dalam kehidupan saat ini.

Jika paradigma molekul kecil umum dikonfirmasi, maka harapan kita tentang tempat kehidupan di alam semesta akan berubah. Awal yang sangat tidak masuk akal untuk kehidupan, seperti dalam skenario RNA-first, menyiratkan alam semesta di mana kita sendirian. Dalam kata-kata almarhum Jacques Monod, "Alam semesta tidak mengandung kehidupan atau biosfer dengan manusia. Jumlah kita muncul dalam permainan Monte Carlo." Alternatif kecil-molekul, bagaimanapun, selaras dengan pandangan ahli biologi Stuart Kauffman: "Jika ini semua benar, kehidupan jauh lebih mungkin dari yang kita duga. Tidak hanya kita di rumah di alam semesta, tetapi kita jauh lebih mungkin untuk membaginya dengan teman yang tidak dikenal. "

ROBERT SHAPIRO adalah profesor emeritus kimia dan ilmuwan riset senior di New York University. Dia adalah penulis atau penulis bersama lebih dari 125 publikasi, terutama di bidang kimia DNA. Secara khusus, ia dan rekan kerjanya telah mempelajari cara-cara di mana bahan kimia lingkungan dapat merusak materi keturunan kita, menyebabkan perubahan yang dapat menyebabkan mutasi dan kanker. Pada 2004, ia dianugerahi Penghargaan Trotter dalam Informasi, Kompleksitas, dan Inferensi. Shapiro telah menulis empat buku untuk masyarakat umum: Life Beyond Earth (dengan Gerald Feinberg); Origins, Panduan Seorang Skeptis tentang Penciptaan Kehidupan di Bumi ; Cetak Biru Manusia (tentang upaya membaca genom manusia); dan Planetary Dreams (tentang pencarian kehidupan di Tata Surya kita). Ketika dia tidak terlibat dalam penelitian, kuliah atau menulis, dia suka berlari, hiking, mencicipi anggur, teater, dan bepergian. Dia menikah dan memiliki putra berusia 35 tahun.

Apakah Gunung Berapi atau Manusia Lebih Keras di Atmosfer?Kepala Greenpeace Baru Bersiap untuk Mengambil BatubaraWorld Shatters Heat Records pada 2016Membuat Sketsa Permulaan Kehidupan, Satu Sel SekaligusMenjelaskan Pengalaman Tip-of-the-LidahBagaimana Kepiting Menemukan Jalan Pulang100 Hari Pertama ObamaKecurangan Kematian DNA: Bagaimana Perbaikan Extremophile Hancur Kromosom