מחקר פורץ דרך חושף כיצד מורכבות החיים יכולה לנבוע ממולקולות RNA פשוטות על כדור הארץ הקדום. באמצעות ניסויים המדגימים את יכולות המיחזור והשכפול של ה-RNA בתנאים ספציפיים, כמו מליחות נמוכה ו-pH גבוה, המחקר מצביע על כך שהחיים יכולים לצאת ממערך מולקולרי מינימלי בסביבות הדומות לאיים געשיים. ממצא זה מאתגר הנחות קודמות לגבי התפתחות ה-RNA ומדגיש את הפוטנציאל להופעתם של חיים בתנאים פרה-ביוטיים פשוטים וקרים.
מחקרים עדכניים ממחישים כיצד המאפיינים הכימיים של מולקולות ה-RNA עשויות למלא תפקיד מכריע בהתפתחות צורות חיים מורכבות.
כיצד הצליחו חיים מורכבים להתפתח על כדור הארץ המוקדם והבלתי מסביר פנים? בתחילה, ribonucleic חוּמצָה (RNA) חייב להיות קיים כדי לשאת את המידע הגנטי הראשון. כדי שהביו-מולקולות הללו יגבשו מורכבות ברצף שלהן, הן היו צריכות לשחרר מים. עם זאת, בכדור הארץ המוקדם, שהיה מכוסה בעיקר במי ים, התהליך הזה היה מאתגר.
במאמר שפורסם לאחרונה ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה (JACS), חוקרים מהצוות של פרופסור ל-LMU דיטר בראון הראו כי במאבקו של RNA עם המים שמסביב, יכולות המיחזור הטבעיות שלו ותנאי הסביבה הנכונים היו יכולים להכריע.
"אבני הבניין של RNA משחררות מולקולת מים עבור כל קשר שהם יוצרים בשרשרת RNA הולכת וגדלה", מסביר בראון, דובר האבולוציה המולקולרית של מרכז המחקר השיתופי (CRC) בסביבות פרה-ביוטיות ומתאם באשכול המצוינות של ORIGINS. "כאשר, לעומת זאת, מוסיפים מים למולקולת RNA, אבני הבניין של ה-RNA מוזנות בחזרה למאגר הפרה-ביוטי."
מחזור מים זה עובד טוב במיוחד בתנאי מלח נמוכים עם רמות pH גבוהות. "הניסויים שלנו מצביעים על כך שחיים יכולים לצוץ מקבוצה קטנה מאוד של מולקולות, בתנאים כמו אלו השוררים באיים געשיים בכדור הארץ המוקדם", אומרת אדריאנה סראו, המחברת הראשית של המחקר.
הבנה חדשה של אבולוציה של RNA
בתנאים אלה, ל-RNA יש את היכולת להתפצל מבלי להוסיף מולקולת מים. הקצה של גדיל ה-RNA נשאר נקי ממים ויכול ליצור מחדש קשרי RNA חדשים באופן ספונטני. המעבדה של בראון הדגימה שהקישור מחדש של RNA מפוצל זה עובד ביעילות ובדיוק יוצא דופן בעת העתקת מידע הרצף. תהליך זה מתרחש רק כאשר אבני הבניין של ה-RNA קשורות למולקולת RNA של תבנית עם זוגות בסיסים תואמים במדויק בתצורה דו-גדילית. זה מייצר עותק של גדיל ה-RNA הקיים לפני שהוא מתפרק באמצעות הוספת מים.
בעבר ההנחה הייתה ש-RNA יכול להעתיק את עצמו רק על ידי בנייה 'אקראית' של רצפים באורך של כ-200 נוקלאוטידים – מה שנקרא ריבוזימים. עם זאת, ריבוזימים יכולים לפעול רק בסביבות מלוחות, ובכך עוינות ל-RNA. כתוצאה ממחקר חדש זה, רצפי ריבוזים מורכבים אלה בשלבים המוקדמים של התפתחות ה-RNA אינם נחוצים. "הדיוק דומה להעתקה של RNA שהושג על ידי ריבוזימים", אומר Sreekar Wunnava, גם המחבר הראשי של המחקר. "משמעות הדבר היא שעולם רנ"א יכול להתעורר ללא צורך מוקדם ברצפים מורכבים ארוכים."
החיים המוקדמים כללו אפוא תהליך מטבולי פשוט מאוד לפיו רצפי RNA הועתקו באמצעות החלפה מתמשכת במולקולות ממוחזרות. כל מה שנדרש כדי שזה יקרה הוא סביבת מים מתוקים אלקליין כמו שעדיין קיימת היום באיים געשיים כמו ארכיפלג הוואי או איסלנד. "ולכן החיים יכלו לצוץ ממרק פרה-ביוטי קדמוני פשוט וקר של אבני בניין RNA", מסביר בראון. למרות שהתגובות מתרחשות באיטיות רבה בתנאים אלה ודורשות מספר ימים להשלמתם, לא היה מחסור בזמן בתחילת האבולוציה ומקלטי המים המתוקים הקרים על איים געשיים קדומים אפשרו ל-RNA לשרוד על כדור הארץ הקדום הבלתי מסביר פנים.
