Gyvenimas: meilė ir agresija. II dalis: kol gyvybė tapo gyvybe

Ypač svarbūs buvo (ir yra) anglis [anglies dvideginis CO₂], azotas [amoniakas NH₃] ir jų dariniai su kitais elementais. Aplinkos sąlygos – žaibai, meteoritai, kometos, sprogimai, jiems nukritus į žemę ar vandenį, ugnikalnių išsiveržimai, intensyvi saulės šviesa, – buvo palankios ir skatino molekulių ir jų junginių sąveikas. (Pastaruoju metu šviesos poveikis – fotocheminės reakcijos – yra tiriamos bandant sukuri dirbtinas ląsteles (žiur. Pvz., Arvydas Tamulis ir Mantas Grigaravičius „Quantum Mechanical Origin of Genetic Material in Minimal Cells“ J. Comput. Theoret. Nanosci. 7:1831-1841,2010). Susidarymo ir irimo vyksmai keitėsi neišmatuojamu (o kas tada matavo?) greičiu ir nesuskaičiuojamą daugybę kartų. Ir vis tik kai kuriose vietose – prie geizerių, prie burbuliuojančių purvo ežerėlių, jūros plaunamose molingo kranto ribose – susidarė kiek geresnės sąlygos pastovesnei molekulių sąveikai – štai čia ir žengtas kitas žingsnelis – radosi didesnės molekulės – aminorūgštys.

Kiti stambūs junginiai – angliavandeniai: C–H₂–O dariniai. Ypač svarbios riebalinės rūgštys ir jų dariniai su fosforo ir azoto junginiais. Tokie junginiai sudarydavo svarbiausias gyvybei dvisluoksnes struktūras, kuriose riebalinių rūgščių uodegėlės nukreiptos viena į kitą, o galvutės – į išorę. Pastarosios grupavosi į sferinius kamuolėlius, kuriuose į vidų ir išorę nukreiptos N ar P junginių galvutės, o riebalinių rūgščių uodegėlės likdavo membranos viduje. Šie kamuolėliai buvo atsparesni ardančiam poveikiui ir į jų vidų per susidariusius kanalėlius gana laisvai galėjo patekti išorėje esantys junginiai ir čia jie rasdavo geras sąlygas sąveikai, o susidarę sudėtingesni junginiai – ilgiau išlikdavo nesuirę. Visa ko pilni kamuolėliai jau galėtų būti gyvybės pirmuoju žingsniu, bet jų dar nelaikykime gyvais, nors prisipildę dalinosi, skilo į du ir vėl didėdavo, taip kartodami pilnėjimo-dalijimosi vyksmą. Vyko tarsi žaidimas: į vidų veržėsi mažos molekulės, jungėsi į didesnes, o joms iš vidaus į išorę – kelio nėra, pusiausvyra su išore atsistato tik pasidalijus. Tokia vienakryptė savotiška pusiausvyra buvo pirmasis gyvybės variklio impulsas, taip gyvybė palaikoma ir dabar.

Tenka vėl šuoliuoti tūkstantine laiko skale ir stebėti kas vyko kamuolėlio viduje, kokie junginiai galėjo būti tinkami būsimai gyvybei, žinodami kurie jų yra svarbiausi dabartinei gyvybei. Aminorūgštys galėjo jungtis peptidine jungtimi į grandinėles, kurios įvairiai susilanksčiusios leido tapti veikiančiu baltymu. Kamuolėliuose kaupėsi azoto žiediniai junginiai – purinai (adeninas A, guaninas G, inozinas I) ir pirimidinai (citozinas C, timinas T ir uridinas U). Jie vandenilinėmis jungtimis galėjo jungtis, tarsi papildydami vienas su kitu, sudarydami poras (A ir G gali sudaryti 3, o C, T ir U po 2 vandenilines jungtis), o kovalentinėmis (taip pat ir vandenilinėmis) jungtimis jungėsi su aminorūgštimis ir su angliavandeniais (pvz., pentozėmis – riboze ar deoksiriboze), pastarosios jungėsi su fosforo rūgšties liekana. Taip susidarė nukleorūgštys (RNR ir DNR), jų sandaros vienetai – nukleotidai, kurie jungėsi į ilgas molekules. Jų 5‘ galinė pradžios dalis – fosforo rūgšties liekana prisijungė prie ribozės arba deoksiribozės 5-jo C atomo. Prie ribozės 1-jo anglies atomo prisijungė viena iš azotinių bazių; pentozės trečiasis C atomas – jo OH grupė yra nukleotido 3‘ galinė dalis, prie jos savo 5‘ galu jungėsi kito nukleotido fosforo rūgšties liekana, taip molekulė ilgėja. Ji tapo dvigrande struktūra, kada prie vienagrandės lipdoma antroji grandinė, laikantis poravimo taisyklės: A–T, A–U; G–C. Tiesa, dvigrandė molekulė susidaro ne jungiantis nukleotidų poroms, bet prie vienagrandės molekulės prilipinant antrąją grandinę, laikantis poravimosi taisyklės. Šiuo būdu nukleorūgšties molekulė ilgėja, o nukleotidų įvairovė sudaranti sekų kombinacijas vėliau tapo genetiniu kodu.

Be šio galėjo būti gal ir paprastesnis būdas padaryti panašias molekules, prie peptidine jungtimi susijungusios grandinėlės prijungiant azotinės bazės. Tokia struktūra, panaudojama kaip informacija, kryptingai sujungiant aminorūgštis būsimam funkciniam baltymui. Dabartinių eksperimentų sąlygomis tokia galimybė yra tiriama – tai PNR – peptidinė nukleorūgštis. Tačiau atranka pasirinko patikimesnį, sudėtingesnį ir patogesnį kelią, kaip yra dabar esančios nukleorūgštys.

Per milijonus metų iš milijardų galimų kandidatų molekulių sąveikos paruošė įnoringai atrankai maždaug tokio turinio kamuolėlių. Svarbiausios dalys: dvigrandė(s) nukleotidų grandinė(s), trumpos vienagrandės nukleotidų grandinėlės, prie kurių 3‘ galinio nukleotido yra prisijungusios aminorūgštys – tai tRNR, laisvos aminorūgštys, laisvos nukleotidų grandinėlės. Dvigrandei nukleotidų grandinei atsiskyrus nukleotidai su trimis arba dvejomis laisvomis H jungtimis vėl sudaro poravimosi sąveikas. Ant kiekvienos atsiskyrusios grandinės lipdoma nauja grandinė pagal poravimosi dėsnius, taip sudarant naujas tapačias dvigrandes molekules – vyksta grandinės (RNR ar DNR) dvigubėjimas, o vėliau, evoliucionuojat, ir nurašymas. Trumpos tRNR grandinėlės savo 5‘ galinių trijų nukleotidų laisvomis H jungtimis sudaro trumpalaikę dvigrandę sąveiką su didžiąja RNR (DNR), nešamos aminorūgštys glaudžiai suartėja ir susijungia peptidine jungtimi, o laisva tRNR atsijungia. Aminorūgštys susijungia tokia tvarka, kokia RNR molekulėje buvo nukleotidų trejetų seka ir sudaro grandinę, kuri susiraizgo ir gali vykdyti cheminę reakciją, pvz., gali skatinti RNR didžiosios molekulės atsiskyrimą ir tuo pačiu dvigubėjimą. Viskas vyksta kamuolėlyje, į kurį skverbiasi nukleotidai ir kiti nesudėtingi junginiai. Kamuolėlis, spaudžiamas viduje dvigubėjančios RNR, susidarančių tRNR ir aminorūgščių raizginių, dalijasi į du ir kiekviename šie vyksmai tęsiasi ir dalijimasis kartojasi.

Ar galėjo būti kitaip? Kol kas veikė tik tikimybinės sąveikos. Atrankos poveikio rezultatams apsiribojo tik cheminių reakcijų galimybėmis, tačiau ar duotomis sąlygomis sudėtingesnių molekulių susidarymas buvo būtinas, diktuojamas fizikos ir chemijos dėsnių, ir tuo pačiu neišvengiamas? Kur to pasmerkimo pradžia? Helio atomo susidarymas susijungus vandenilio atomams, tarsi įjungė naujų skirtingų savybių atomų susidarymo grandinę. Kokios kūrybą skatinusios buvo sąlygos tas pirmąsias po Didžiojo Sprogimo sekundes, lėmusias Visatos atsiradimą, kiek vėliau (?!) užpildytą tų pačių elementų galaktikomis, žvaigždėmis, planetomis, tarp kurių radosi ir mūsų Žemė, ir mes patys. Ar galėjo būti kitaip? Dėsningas negrįžtamumas? Aprašytieji virsmai turėjo taip vykti, kreipiami besikeičiančios aplinkos.

Aprašyti vyksmai vyko tarsi išlaikydami pusiausvyrą tarp mažųjų molekulių ir jų darinių – stambiųjų molekulių, tarp sintezės ir irimo. Santykis pasikeitė atsiradus lipidinių membranų kamuolėlių: mažieji junginiai skverbėsi į vidų ir ten būdavo sintezės pagrobti į didžiuosius junginius – štai čia pasireiškia aplinkos ir savybių diktuojama didžiųjų agresija mažoms molekulėms. Difuzija ir sintezė – santykinai nepriklausomi fizikos ir chemijos dėsniai – būsimos gyvybės pamatas.

Dalijimasis ir tikslingas atsikartojimas tegalimas susidarius santykinai pastoviai matricai – informacinei molekulei ir kopijavimo sistemai. Taip atsitiktinės sąveikos tapo aplinkos paleistu ir valdomu gyvybės smagračiu.

Jonas Rubikas

Straipsnis parengtas įgyvendinant Lietuvos ir Šveicarijos bendradarbiavimo programos NVO fondo remiamą paprojektį „NVO, veikiančių mokslo sklaidos srityje, tinklo stiprinimas, plėtojant jo institucinius gebėjimus“.