'Mae nifer o gwestiynau am darddiad bywyd wedi'u hateb, ond erys llawer i'w hastudio'' meddai Stanley Miller a Harold Urey ymhell yn ôl ym 1959 ar ôl adrodd am synthesis labordy o asidau amino mewn amodau daear cyntefig. Llawer o ddatblygiadau yn y dyfodol agos ac eto mae’r gwyddonwyr wedi bod yn mynd i’r afael â chwestiwn sylfaenol ers tro – pa ddeunydd genetig oedd y cyntaf i gael ei ffurfio ar y ddaear gyntefig, DNA or RNA, neu ychydig o'r ddau? Mae tystiolaeth bellach i awgrymu hynny DNA a RNA mae'n bosibl bod y ddau wedi cydfodoli yn y cawl primordial lle gallai'r ffurfiau bywyd fod wedi esblygu gyda'r deunyddiau genetig priodol.
Mae dogma canolog bioleg foleciwlaidd yn nodi hynny DNA yn gwneud RNA yn gwneud proteinau. Proteinau yn gyfrifol am y mwyafrif, os nad yr holl adweithiau sy'n digwydd mewn organeb. Mae gweithrediad cyfan organeb yn dibynnu'n bennaf ar eu presenoldeb a'u rhyngweithiad protein moleciwlau. Yn ôl dogma canolog, proteinau yn cael eu cynhyrchu gan y wybodaeth a gynhwysir yn DNA sy'n cael ei drawsnewid i swyddogaethol protein trwy negesydd o'r enw RNA. Fodd bynnag, mae'n bosibl bod proteinau gall eu hunain oroesi yn annibynnol heb ddim DNA or RNA, fel sy'n wir gyda phrions (wedi'i gam-blygu protein moleciwlau nad ydynt yn cynnwys DNA or RNA), ond gallant oroesi ar eu pen eu hunain.
Felly, gall fod tri senario ar gyfer tarddiad bywyd.
A) Os bydd y proteinau neu roedd ei flociau adeiladu yn gallu ffurfio'n anfiotig yn ystod yr atmosffer a fodolai biliynau o flynyddoedd yn ôl mewn cawl primordial, proteinau gellir ei alw yn sail i tarddiad bywyd. Daw'r dystiolaeth arbrofol o'i blaid o'r arbrawf enwog gan Stanley Miller1, 2, a ddangosodd pan fydd cymysgedd o fethan, amonia, dŵr a hydrogen yn cael eu cymysgu gyda'i gilydd a'u cylchredeg heibio gollyngiad trydan, mae cymysgedd o asidau amino yn cael ei ffurfio. Cadarnhawyd hyn eto saith mlynedd yn ddiweddarach3 ym 1959 gan Stanley Miller a Harold Urey yn nodi bod presenoldeb atmosffer rhydwytho yn y ddaear gyntefig wedi arwain at synthesis o organig cyfansoddion ym mhresenoldeb nwyon a grybwyllir uchod ynghyd â symiau llai o garbon monocsid a charbon deuocsid. Cwestiynwyd perthnasedd arbrofion Miller-Urey gan y frawdoliaeth wyddonol am nifer o flynyddoedd, a oedd yn meddwl bod y cymysgedd nwy a ddefnyddiwyd yn eu hymchwil yn lleihau'n ormodol o ran yr amodau a fodolai ar y Ddaear gyntefig. Roedd nifer o ddamcaniaethau'n cyfeirio at awyrgylch niwtral yn cynnwys gormodedd o CO2 gyda N2 ac anwedd dŵr4. Fodd bynnag, mae awyrgylch niwtral hefyd wedi'i nodi fel amgylchedd credadwy ar gyfer synthesis asidau amino5. Yn ogystal, ar gyfer proteinau i weithredu fel gwreiddiau bywyd, mae angen iddynt hunan-ddyblygu gan arwain at gyfuniad o wahanol proteinau i ddarparu ar gyfer gwahanol adweithiau sy'n digwydd mewn organeb.
B) Os oedd y cawl primordial yn darparu amodau ar gyfer blociau adeiladu o DNA a / neu RNA i'w ffurfio, yna gallai'r naill neu'r llall fod yn ddeunydd genetig. Mae'r ymchwil hyd yn hyn yn ffafrio RNA i fod yn ddeunydd genetig ar gyfer tarddiad ffurfiau bywyd oherwydd eu gallu i blygu arno'i hun, yn bodoli fel un llinyn ac yn gweithredu fel ensym6, yn gallu gwneud mwy RNA moleciwlau. Nifer o ensymau RNA hunan-ddyblygu7 wedi cael eu darganfod dros y blynyddoedd yn awgrymu RNA i fod y deunydd genetig cychwynnol. Cryfhawyd hyn ymhellach gan yr ymchwil a wnaed gan grŵp John Sutherland a arweiniodd at ffurfio dau waelod o RNA mewn amgylchedd tebyg i gawl primordial trwy gynnwys ffosffad yn y cymysgedd8. Mae ffurfio blociau adeiladu RNA hefyd wedi'i ddangos trwy efelychu awyrgylch lleihäwr (sy'n cynnwys amonia, carbon monocsid a dŵr), yn debyg i'r un a ddefnyddiwyd yn arbrawf Miller-Urey ac yna'n pasio gollyngiadau trydan a laserau pŵer uchel trwyddynt.9. Os credir mai RNA yw'r cychwynnwr, yna pryd a sut y gwnaeth DNA a phroteinau yn dod i fodolaeth? Gwnaeth DNA datblygu fel deunydd genetig yn ddiweddarach oherwydd natur ansefydlog RNA a phroteinau a ddilynwyd fel yr un peth. Mae'r atebion i'r holl gwestiynau hyn yn dal heb eu hateb.
C) Daeth y drydedd senario y gall DNA ac RNA gydfodoli yn y cawl primordial a arweiniodd at darddiad bywyd o astudiaethau a gyhoeddwyd ar 3rd Mehefin 2020 gan grŵp John Sutherland o Labordy MRC yng Nghaergrawnt, y DU. Mae'r ymchwilwyr yn efelychu'r amodau a fodolai ar y Ddaear primordial biliynau o flynyddoedd yn ôl, gyda phyllau bas yn y labordy. Yn gyntaf, fe wnaethant hydoddi cemegau sy'n ffurfio RNA mewn dŵr, ac yna eu sychu a'u gwresogi ac yna eu gwneud yn agored i belydriad UV a oedd yn efelychu pelydrau'r haul a oedd yn bodoli yn yr amser cynradd. Arweiniodd hyn nid yn unig at synthesis y ddau floc adeiladu o RNA ond hefyd o DNA, sy'n awgrymu bod y ddau asid niwclëig yn cydfodoli ar adeg tarddiad bywyd10.
Yn seiliedig ar y wybodaeth gyfoes sy'n bodoli heddiw ac yn anrhydeddu dogma canolog bioleg foleciwlaidd, mae'n ymddangos yn gredadwy bod y DNA a'r RNA yn cydfodoli a arweiniodd at darddiad bywyd a ffurfiant protein yn dod / wedi digwydd yn ddiweddarach.
Fodd bynnag, mae'r awdur yn dymuno dyfalu senario arall lle mae'r tri macromoleciwl biolegol pwysig, sef. Roedd DNA, RNA a phrotein yn bodoli gyda'i gilydd yn y cawl primordial. Efallai bod yr amodau blêr a fodolai yn y cawl primordial yn ymwneud â natur gemegol wyneb y ddaear, ffrwydradau folcanig a phresenoldeb nwyon fel amonia, methan, carbon monocsid, carbon deuocsid ynghyd â dŵr yn ddelfrydol ar gyfer ffurfio pob macromoleciwl. Cafwyd awgrym o hyn gan ymchwil a wnaed gan Ferus et al., lle ffurfiwyd niwcleobasau yn yr un atmosffer lleihäwr9 a ddefnyddir yn arbrawf Miller-Urey. Os ydym am gredu yn y ddamcaniaeth hon, yna yn ystod yr esblygiad, mabwysiadodd organebau gwahanol y naill ddeunydd genetig neu'r llall, a oedd yn ffafrio eu bodolaeth wrth symud ymlaen.
Fodd bynnag, wrth i ni geisio deall tarddiad ffurfiau bywyd, mae angen llawer o ymchwil pellach i ateb y cwestiynau sylfaenol a pherthnasol ynghylch sut y tarddodd a lledaeniad bywyd. Byddai hyn yn gofyn am ymagwedd “allan o'r bocs” heb ddibynnu ar unrhyw ragfarnau a gyflwynir yn ein ffordd o feddwl gan y dogmas presennol a ddilynir mewn gwyddoniaeth.
***
Cyfeiriadau:
1. Miller S., 1953. Cynhyrchiad o Asidau Amino o dan Amodau Posibl Cyntefig Daear. Gwyddoniaeth. 15 Mai 1953: Vol. 117, Rhifyn 3046, tt. 528-529 DOI: https://doi.org/10.1126/science.117.3046.528
2. Bada JL, Lazcano A. et al 2003. Cawl Prebiotig – Ailymweld ag Arbrawf Miller. Gwyddoniaeth 02 Mai 2003: Vol. 300, Rhifyn 5620, tt. 745-746 DOI: https://doi.org/10.1126/science.1085145
3. Miller SL ac Urey HC, 1959. Synthesis Cyfansoddion Organig ar y Ddaear Gyntefig. Gwyddoniaeth 31 Gorff 1959: Vol. 130, Rhifyn 3370, tt. 245-251. DOI: https://doi.org/10.1126/science.130.3370.245
4. Kasting JF, Howard MT. 2006. Cyfansoddiad atmosfferig a hinsawdd ar y Ddaear gynnar. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361:1733–1741 (2006). Cyhoeddwyd: 07 Medi 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2006.1902
5. Cleaves HJ, Chalmers JH, et al 2008. Ailasesiad o synthesis organig prebiotig mewn atmosfferau planedol niwtral. Orig Bywyd Evol Biosph 38:105–115 (2008). DOI: https://doi.org/10.1007/s11084-007-9120-3
6. Zaug, AJ, Cech TR. 1986. Y dilyniant rhyngol RNA o Tetrahymena yn ensym. Gwyddoniaeth 31 Ionawr 1986: Cyf. 231, Rhifyn 4737, tt. 470-475 DOI: https://doi.org/10.1126/science.3941911
7. Wochner A, Attwater J, et al 2011. Trawsgrifiad Ribozyme-Catalyzed o Ribozyme Actif. Gwyddoniaeth 08 Ebr: Cyf. 332, Rhifyn 6026, tt. 209-212 (2011). DOI: https://doi.org/10.1126/science.1200752
8. Powner, M., Gerland, B. & Sutherland, J., 2009. Synthesis o riboniwcleotidau pyrimidine actifedig mewn amodau credadwy yn rhagbiotig. Natur 459, 239–242 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08013
9. Ferus M, Pietrucci F, et al 2017. Ffurfio basau niwcleobaidd mewn awyrgylch lleihäwr Miller-Urey. PNAS Ebrill 25, 2017 114 (17) 4306-4311; cyhoeddwyd gyntaf Ebrill 10, 2017. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1700010114
10. Xu, J., Chmela, V., gwyrdd, N. et al. 2020 Ffurfio prebiotig dethol o RNA pyrimidine a DNA niwcleosidau purin. Natur 582, 60–66 (2020). Cyhoeddwyd: 03 Mehefin 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
***
Sylwadau ar gau.