Świat RNA z perspektywy krytyków

We wszystkich żywych komórkach biosynteza białek oparta jest na występowaniu trzech typów cząsteczek: DNA, RNA i samych białek. Informacja genetyczna przepisywana jest w procesie transkrypcji z DNA na RNA. Powstająca w ten sposób cząsteczka RNA (mRNA) służy następnie jako matryca, na podstawie której w procesie translacji zachodzi budowanie łańcuchów polipeptydowych o ściśle określonej sekwencji aminokwasów. Zsyntetyzowane polipeptydy podlegają fałdowaniu, które prowadzi do przyjęcia przez nie odpowiedniej struktury przestrzennej i, tym samym, do powstania funkcjonalnych białek. (W żywych komórkach białka nie powstają w żaden inny sposób.) Transkrypcja i translacja mogą zachodzić wyłącznie w obecności pewnych specyficznych białek – istnieje więc grupa białek, które występują zarówno w roli produktów syntezy, jak i niezbędnych elementów systemu, który ową syntezę przeprowadza. [1]

DNA, określone rodzaje RNA oraz wspomniana grupa białek stanowią układ cząsteczek, który w przypadku usunięcia nawet jednej z nich straciłby funkcjonalność. Można powiedzieć, że jest to układ nieredukowalnie złożony. Działa on jako pełny zestaw wszystkich współzależnych części albo nie działa wcale. [2]

Pogląd, w myśl którego żywe komórki powstały na drodze ewolucji chemicznej, napotyka tutaj na problem, w jaki sposób system biosyntezy białek mógł się wykształcić stopniowo. Skoro jest to układ nieredukowalnie złożony, to nie mógł powstać jako rezultat bezpośredniej ewolucji, czyli kolejnego pojawiania się poszczególnych jego elementów zdolnych do pełnienia od razu tej funkcji, jaką pełnią obecnie w żywych komórkach. [3] W takim przypadku wszystkie te cząsteczki musiałyby być zachowywane przez dobór naturalny, mimo iż byłyby zupełnie bezużyteczne, dopóki nie spotkałyby się wszystkie w komplecie.

Ewolucjonistyczne próby przezwyciężenia tej trudności zaowocowały wypracowaniem tak zwanej hipotezy „świata RNA”, obecnie najpopularniejszej wśród naukowców koncepcji, według której powstanie komórkowego systemu biosyntezy białek jest rezultatem ewolucji pośredniej. Rozwój tej teorii zapoczątkowały odkrycia z lat 80. XX wieku, które przyniosły nową wiedzę o istnieniu cząsteczek RNA posiadających zdolność katalizowania niektórych reakcji chemicznych. [4] Cząsteczki te zwane są rybozymami.

We współcześnie znanych żywych komórkach ogromną większość reakcji biochemicznych, z nielicznymi wyjątkami, katalizują enzymy białkowe. Jednak wychodząc od faktu istnienia rybozymów, hipoteza „świata RNA” proponuje rozwiązanie, że ewolucję chemiczną mogło zapoczątkować pojawienie się na ziemi cząsteczek RNA pełniących rolę zarówno magazynu informacji, jak i katalizatora, zdolnych do tworzenia swoich własnych kopii (samoreplikacji). Jest to więc koncepcja ewolucji pośredniej, w której funkcja (a nie tylko struktura) RNA ulega stopniowej zmianie. Jego pierwotne funkcje zostają z czasem przeniesione na bardziej wyspecjalizowane rodzaje cząsteczek (białka przejmują rolę katalizatorów, a DNA – magazynu informacji), a znaczenie samego RNA dla procesu syntezy białek zostaje zredukowane do roli pośrednika. [5]

Krytycy tej koncepcji zwracają jednak uwagę na trudności, jakie da się zauważyć przy bardziej szczegółowym jej rozważeniu. Przytoczę kilka z wymienianych problemów.

Już z samą syntezą rybonukleotydów (czyli cegiełek, z których zbudowany jest łańcuch RNA) wiążą się pewne kłopoty. Jedna taka cząsteczka jest połączeniem trzech mniejszych elementów składowych: grupy fosforanowej, cukru rybozy oraz jednej z czterech zasad azotowych – adeniny, uracylu, guaniny  lub cytozyny. Powstanie rybonukleotydów wymagałoby jednoczesnej obecności wszystkich tych trzech rodzajów cząsteczek w pobliżu siebie, aby mogły się ze sobą połączyć. Okazuje się jednak, że wcale nie jest to łatwe do spełnienia, a może nawet niemożliwe do osiągnięcia w warunkach „pierwotnej zupy”. Dlaczego?

Jak stwierdzają Dean Kenyon i Gordon Mills, „warunki postulowane dla prebiotycznej syntezy puryn i pirymidyn [zasad azotowych] są wyraźnie niezgodne z warunkami proponowanymi dla syntezy rybozy”. Ryboza może zostać wyprodukowana ze związków nieorganicznych w toku tzw. reakcji formozowej. Zaczyna się ona od związania razem dwu cząsteczek formaldehydu, a w dalszych etapach tworzy się kilka rodzajów cukrów, w tym ryboza. Mogą one jednak wchodzić w interakcje z innymi cząsteczkami powstającymi w przebiegu reakcji formozowej. Jednak bardziej podstawowym problemem jest tutaj fakt, że reakcja ta nie może zachodzić w obecności pewnych związków azotowych, w tym również związków tworzących się podczas syntezy zasad azotowych. A jeżeli te ostatnie nie spotkają się z rybozą (oraz fosforanami), wówczas nie powstaną rybonukleotydy, a zatem i cząsteczki RNA. (Można dodać, że reakcja formozowa nie zachodzi również w obecności aminokwasów.) [6]

Kolejną trudność stanowi nietrwałość zasad azotowych. W temperaturze około 100°C adenina i guanina mogą przetrwać rok, uracyl 12 lat, a cytozyna – zaledwie 19 dni. [7] Mówi się jednak, że kiedy na powierzchni Ziemi tworzyło się życie, jej powierzchnia była gorąca – panowała temperatura około 80 – 90°C. [8] Niestabilność zasad azotowych stanowiłaby przeszkodę dla przetrwania powstających cząsteczek RNA.

Okazuje się także, że rybonukleotydy, jeśli już są, wiążą się ze sobą wiązaniami o różnych konfiguracjach. Ale budowa cząsteczki kwasu rybonukleinowego wymaga tworzenia wyłącznie wiązań 3′,5′-fosfodiestrowych. Badania wykazały jednak, że w spontanicznych reakcjach łączenia rybonukleotydów o wiele chętniej powstają wiązania 5′,5′-fosfodiestrowe i 2′,5′-fosfodiestrowe. [9]

Teoria „świata RNA” rodzi również poważne problemy probabilistyczne związane z powstaniem systemu samoreplikacji. Wymagałoby to bowiem spotkania w jednym miejscu dwu cząsteczek RNA o specyficznych sekwencjach nukleotydów, z których jedna miałaby zdolność katalizowania replikacji, a druga byłaby dokładnym komplementarnym odpowiednikiem pierwszej i funkcjonowałaby jako matryca. (Ewentualnie drugą cząsteczką RNA mógłby być rybozym zdolny skopiować tę pierwszą i w ten sposób utworzyć dla niej komplementarną matrycę.) [10]

Problemów jest więcej, chociażby to, w jaki sposób mogłoby przebiegać przejście od translacji przeprowadzanej przez rybozymy do systemu translacji opartego na enzymach białkowych. [11] Mimo to, jak wcześniej napisałam, hipoteza „świata RNA” jest obecnie najbardziej popularną koncepcją pochodzenia życia. Można przypuszczać, że o jej popularności decyduje dzisiaj nie przekonywujące świadectwo empiryczne, ale osobiste przekonania przyjmujących ją uczonych, że życie po prostu musiało powstać na drodze niekierowanych procesów ewolucji chemicznej.

Przypisy:
[1] Nieco bardziej szczegółowo opisałam to tutaj: M. Gazda, „Co było pierwsze?”, idź Pod Prąd, nr 105, s. 9.
[2] Twórcą pojęcia „nieredukowalnej złożoności” jest Michael J. Behe. Pisze on: „Przez nieredukowalnie złożony rozumiem pojedynczy system, złożony z poszczególnych dobrze dopasowanych, oddziałujących ze sobą części, które wspólnie pełnią podstawową funkcję układu, a usunięcie jakiejkolwiek z tych części powoduje, że system przestaje sprawnie funkcjonować.” Michael J. Behe, Czarna skrzynka Darwina. Biochemiczne wyzwanie dla ewolucjonizmu, przeł. Dariusz Sagan, BFAG, t. 4, Megas, Warszawa 2008, s. 43.
[3] „Układu nieredukowalnie złożonego nie można wytworzyć bezpośrednio (czyli nieustannie doskonaląc początkową funkcję, której mechanizm się nie zmienia) poprzez liczne, następujące po sobie, drobne przekształcenia układu będącego jego prekursorem, ponieważ każdy prekursor systemu nieredukowalnie złożonego, któremu brakuje jakiejś części, jest z definicji niefunkcjonalny.” Behe, Czarna skrzynka…, s. 43.
[4] W 1982 r. Thomas Cech wraz ze swoimi współpracownikami opublikowali wyniki badań, w których wykazali istnienie intronu zdolnego do autokatalitycznego wycinania się z prekursora RNA. Rok później Sidney Altman i jego współpracownicy odkryli aktywność katalityczną RNazy P. Por. Lizabeth A. Allison, Podstawy biologii molekularnej, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2009, s. 71.
[5] Por. Stephen C. Meyer, Signature in the Cell. DNA and the Evidence for Intelligent Design, Harper One, New York 2009, s. 298-299.
[6] Por. Dean Kenyon, Gordon C. Mills, “The RNA World: A Criticque”, Origins and Design 17 (1996), s. 11 [9–16]. (http://tiny.pl/hsdwv)
[7] Por. Meyer, Signature in the Cell…, s. 302.
[8] Hugh Ross, „Wysokie temperatury to kubeł zimnej wody dla zwolenników hipotezy powstania życia”, Na początku…, Rok 6, nr 6 (117), s. 188 [188-190].
[9] Kenyon, Mills, “The RNA World…”, s. 12 [9–16].
[10] Por. Meyer, Signature in the Cell…, s. 315-316 oraz przypis 37 ze s. 538-539.
[11] Por. Meyer, Signature in the Cell…, s. 305-312.

Polecamy stronę internetową Zielonogórskiej Grupy Lokalnej „Nauka a Religia” i czasopisma internetowego „Filozoficzne Aspekty Genezy”:http://www.nauka-a-religia.uz.zgora.pl/  Na stronie tej znajdą Państwo artykuły w języku polskim (oryginalne oraz tłumaczenia) poświęcone kwestii relacji między nauką i religią, ale też dotyczące szeroko rozumianej problematyki genezy.