Az élet eredetének kísérleti eredményei

1. Az élet eredetének kísérleti eredményei Könnyű Balázs Ph.D hallgató 1ELTE, Biológiai Intézet,Növényrendszertani és Ökológiai Tanszék

2. Hogyan jelent meg az ember? Hogyan jelentek meg az élőlények? Teremtették a csillagokat, a bolygókat, az életet vagy természeti törvények hozták létre őket? És egyébként…

3. Mi az élet? El tudjuk-e dönteni minden objektumról egyértelműen, hogy él-e?

4. ÉLŐ NEM ÉLŐ

5. ÉLŐ NEM ÉLŐ

6. Hogyan kezdjünk a problémához? - keressük meg az élet legegyszerűbb formáit és próbáljuk kitalálni mi a közös bennük! Vírus Egysejtű eukarióta Prokariota

7. Élet kritériumok I. • Reális (abszolút) életkritériumok (minden élőlényre igaz): • Inherens (belső lényegből fakadó) egység: „az egység (…) elemeinek nem egyszerű uniója, hanem új egység, amely (…) új minőségi tulajdonságaokat hordoz”. • Anyagcsere: anyag és E lép a rendszerbe, ott átalakul majd a hulladék anyagok elhagyják a rendszert. • Stabilitás: a rendszer belső folyamatainak olyan speciális szerveződési módja, amely lehetővé teszi a rendszer folyamatos működését és a külső környezet változásainak ellenére is állandó marad (~homeosztázis). • Információhordozó alrendszer: a teljes rendszer felépítéséről • Szabályozottság és vezéreltség: a folyamatok szabályozottak (vö. enzimek) de bizonyos folyamatok vezéreltek (vö. egyedfejlődés).

8. Élet kritériumok II. Potenciális (lehetséges) életkritériumok (nem minden élő egységre igaz, de az evolúcióhoz nélkülözhetetlen): • Növekedés és szaporodás*: egysejtűeknél a szaporodás egy része a növekedés de többsejtűeknél a szaporodás a növekedés közvettet módon kapcsolódnak. • Öröklődőváltozatosság*: az egyedet felépítő információ nem pontosoan adódik át az utódba. • Halandóság: biogeokémiai ciklusok. • * ez evolúció egysége

9. Az élő (sejt) minimál modellje Gánti Tibor : Az élet principiuma. 1978.,Gondolat, Budapest Ai: anyagcsere alrendszer (autokatalitikus) pV: információ-tároló alrendszer (vö.: DNS) (autokatalitikus) Tm: határoló (membrán) alrendszer (autokatalitikus) Autokatalizis: A + B = 2A + C

10. INFRABIOLÓGIA Anyagcsere (A) Ősleves Őspizza Membrán (T) Információ tároló (replicator) (pV) Hyperciklus AT Lipid Világ pVA RNS Világ pVT SCM pVTA Az első élő sejt Szathmáry E. alapján, 2007

11. A minimál modellhez hasonló objektumés az azt felépítő anyagokat létrejöttét kétféle módon vizsgálhatjuk: • Kísérletes megközelítés • Elméleti megközelítés mai alkalom

12. Az élet építőelemeiA monomerek és makromolekulák szintézise

13. A monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise

14. Miller-Urey kísérlet • Metán (CH4) • Ammónia (NH3) • Hidrogén (H2) • Víz (H2O) • Elektromos kisülés Eredmény: cukor, aminosav, N-tartalmú heterociklusos vegyületek (mindaz ami megtalálható az élő sejtben)

16. A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I. Hidorgéncianid addíciós reakció:

17. A Miller-Urey féle kísérletek kémiai háttere I. Formóz reakció:

18. Ősleves elmélet Miller kísérletei és hasonló kísérletek alapján született meg az elképzelés: • Az ősi Föld légköre kezdetbe redukáló gázelegyből állt (metán, ammónia stb.) • A gázelegy elemei villámlások által reakcióba lépetek egymással • Az ősóceánba oldódtak és még változatosabb biológiailag fontos molekulák jöttek létre, amelyek közül egyesek képesek autokatalitikus módon gyarapodni (vö. formoz reakció) • A változatos biomolekulákból létrejött önszerveződéssel az első sejt Szép, de vannak problémák…

19. Az Ősleves problémai I. Még ha ki is alakulnak komplex reakció-hálózatok, amelyek előállítanak minden szükséges molekulát, enzimek hiányában az oldal reakciók „megölik” a rendszert.

20. Az élet építőköveiA monomerek és makromolekulák prebiotikus szintézise

21. Az Ősleves problémai II. Az őslégkör korentsem biztos, hogy redukáló volt, azaz nem biztos, hogy csak metán és ammónia volt benne. Bizonyíték: ősi kőzetekben találtak eloxidálódott vasat, ami az őslégkör semlegességére ill. enyhén oxidatív jellegére utal. Abban mindenki egyetért hogy a mai 21 V/V% O2 biológiai eredetű, de abiotikus folyamatok révén megjelenhetett 1-2 V/V% O2 (az anaerob baktériumokat nem gátolja!)

22. Az Ősleves problémai II. Új kísérlet: Miller-féle kísérletek megismétlése semleges v. oxidatív gázeleggyel (N2, H2O és CO/CO2). A CO2 gátolja a HCN képződést! Eredmény: az eredeti kísérlethez hasonlóan sokféle biomolekula.

23. Az Ősleves problémai III. Az ősleves túlságosan híg oldat, kevés molekulát tartamazhatott. A biomolekulák származhatnak meteoritokból és üstökösökből is, amelyek a Földre érkeztek kb. 4 milliárd évvel ezelőtt. A csillagközi porban találtak szerves molekulákat! (???Panspermia???) Kiszáradó lagúnákban lokális koncentráció növekedés.

24. E +F G +H A +B C +D pH<7 pH>7 pl.: membrán alkotó és cukrok pl.: aminosavak Az Ősleves problémai IV. Sok fontos biomolekula nem szintetizálódik meg azonos körülmények között. Hogyan lehetne azt a két merőben különböző környezetet „egyesíteni”, hiszen mind a C + D mind a G + H szükséges építőelem?

25. Az Ősleves problémai V. Miller-féle kísérletekben mind L-, mind D-formájú aminosavak és cukrok létrejönnek, amelyek egymás polimerizációját keresztbe gátolják. Ma viszont az összes élőlényben (kevés kivételtől eltekintve) csak L-aminosavak és D-cukrok vannak jelen (stereospecifitás). Hogyan tűnt el az egyik fajta forma teljesen?

26. Peptid kötés H H O H O H H H H O O H N C C + N C C N C C N + C C O H O H OH H H H OH H H C H H C H GLICIN H H H H ALANIN glicin alanin Az Ősleves problémai VI. Számos biokémiai reakció valójában kondenzáció, azaz vízkilépéssel járó kémia reakció. Hogyan képződhet végtermék-gátlás nélkül polipeptid (fehérje) vagy polinukleotid (RNS, DNS)?

27. A fenti kémiai problémák miatt el kell vetnünk az ősleves elméletet.

28. A fenti kémiai problémák miatt el kell vetnünk az ősleves elméletet. Új elmélet: Őspizza a molekulák a pozitív töltésű pirit felszínhez kötődnek és magas hőmérsékleten (~250°C) valamint nagy nyomáson (~200MPa) szerves molekulák képződnek szervetlenekből kémiai energia segítségével (kemoautrófia): Energia forrás: FeS + H2S = FeS2 +H2 Szénforrás: CO vagy CO2

29. Az Őspizza I. Bizonyíték: a mai biomolekulák többsége negatív töltésű kémiai csoportokat hordoz (pl.: foszfát, karbonát) a formóz reakció működik cukor foszfátokkal a felszínen, neutrális pH-n (az eredeti erősen lúgos közegben működött csak!). a felszínen a gyenge elektrosztatikus kötés miatt a molekulák vándorolhatnak a felület-kötött molekulák közötti reakciók kevésbé terheltek az ősleves problémáival

30. Az Őspizza II. A felületnek erőteljes katalizáló hatása van (vö.: szervetlen katalizátorok, enzimek)! • Katalizátor (gyors reakciók) • Specifikus (kevés mellékreakció) • Stereospecifikus • Az enzimek ma leginkább fehérjék. A felület kötött szubsztrátok lokális koncentráció növekedés miatt megnő az ütközések száma, ami a kémiai reakciók gyakoribb lefolyásához vezet.

31. Az Őspizza III. A felület képes kiválogatni a L- ill. D-formájú molekula párok közül az egyiket. Kalcium karbonát kristályon több különböző felületi struktúrát azonosítottak, amelyek a racém elegy különböző komponenseit különböző képen kötik. Az eantiomerek különböző számú -OH csoporttal kötődnek a felszínhez, így a sebességük a felszínen különböző. Nincs még igazán jó magyarázat a homokiralitásra!!!

32. Felülethez kötötten: A + B = C + D Mozgási szabadsági fokok: 2 2 2 3 A rendezetlenség mértéke (entrópia) nő! Az Őspizza IV. Elősegíti a vízkilépésel járó biokémiai (kondenzációs) reakciókat. Oldatban: A + B = C + D Mozgási szabadsági fokok: 3 3 3 3

33. polimerizáció hidrolízis Az Őspizza V. Agyagásvány felszínen nukleotidok is és aminosavak is könnyebben polimerizálódnak (kb. 50 tagú polimerekig). Sőt a nukleotidok a 3’-5’ kapcsolódást is jobban preferálják a felszínen mint oldatban ahol gyakoribb a 2’-5’ kapcsolódás.

34. Összefoglalás • Ősleves elmélet • sokféle biomolekula • kémiailag nehezen elképzelhető • Őspizza elmélet • kevesebb fajta biomolekula • kémiailag realisztikusabb Őspalacsinta elmélet Sokféle molekula képződött az őslégkör-ősleves rendszerben, amelyek aztán felülethez kötődtek és bonyolult biomolekulákká (DNS, RNS, fehérje stb.) alakultak.