Energiutnyttelse og blind tro på naturlig seleksjon
-samt om livets gradienter
BefrakftereRob Stadler; 29. juli 2022
Oversatt herfra

Bilde 1. Hvor får de energien fra -'transportarbeiderne'?


Den siste animerte videoen fra Long Story Short forklarer de komplekse kravene til energiutnyttelse i livet. Når jeg skrev her , ga jeg en oversikt over de tre trinnene til kjemiosmotisk kobling, det universelle grunnlaget for energiutnyttelse. I dag vil vi fordype oss i detaljene og vurdere de foreslåtte snarveiene for en naturalistisk opprinnelse til livet.


Membran respiratoriske komplekser
Ikke-liv-ennå
Det første trinnet i kjemiosmotisk kobling involverer vanligvis membranens respiratoriske komplekser (mer generelt, elektrontransportkjeden). Denne serien av proteinkomplekser tjener til å overføre elektroner fra cellens matkilde til et oksidasjonsmiddel. Men direkte overføring av elektroner ville omgå energiutnyttelse, noe som resulterer i en rå og uproduktiv frigjøring av energi som varme - omtrent som å berøre en ledning mellom de positive og negative polene til et batteri. Snarere brukes en diskret kjede av små redokstrinn for å utnytte energien, noe som til slutt resulterer i 10 protoner pumpet over en membran for hvert elektronpar som går gjennom redokskjeden.

Bilde 2. Kritisk tilskuer


Video: Livets gradienter (11min:48sek)


Hvert trinn må være ekstremt presist fordi løse elektroner ikke bare sløser med energi, men kan tilfeldig skade tilstedeværende molekyler som DNA. I en enkel prokaryot livsform som Thermus thermophilus involverer den vanlige veien respirasjonskomplekser I, III og IV, som består av totalt 25 forskjellige proteiner, som hver inneholder et presist arrangement av homochirale aminosyrer som er nødvendige for nøyaktig håndtering av elektronoverføringer ned hvert redokstrinn. Sluttresultatet av det første trinnet med kjemiosmotisk kobling er en protongradient over en membran - en membran som ikke lar protoner passere fritt, selv om mye større molekyler må transporteres over den samme membranen

Dette er beskrevet av den tidligere Long Story Short video, her.

ATP-SyntaseATP-syntase
Det andre trinnet i kjemiosmotisk kobling involverer å utnytte protongradienten for å rotere en transmembran nanomaskin kjent som ATP-syntase. Rotasjonen av ATP-syntase kombinerer ADP og fosfat til ATP med høyere energi. ATP-syntase er laget av minst åtte forskjellige proteiner og mer enn tjue proteinenheter.
Nick Lane, en forsker i livets opprinnelse, beskrev ATP-syntase som:
- .. den mest imponerende nanomaskinen av dem alle .. Dette er presisjons nanoteknikk av høyeste orden, en magisk enhet, og jo mer vi lærer om den, jo mer fantastisk blir den.(1)

Bilde 3. ATP-produksjon


Imidlertid tilbakekalte Lane umiddelbart sin insinuasjon om design, og erstattet den med en håndviftende forklaring, laget av obligatorisk naturalisme:
Noen ser i den bevis for Guds eksistens. Jeg gjør ikke. Jeg ser underet med naturlig utvalg.(2)
Nick Lane kom til denne konklusjonen uten å forklare hvordan livet lyktes i å utnytte energi før eksistensen av ATP-syntase, og han unnlot å beskrive den ekstra kompleksiteten som kreves for å sette sammen ATP-syntaseproteiner(3), for ikke å nevne den utrolige kompleksiteten ved å transkribere og oversette DNA til å produsere slike proteiner.


Vi bør også vurdere den interessante veien som livet bruker for å produsere ADP - startmolekylet som først må produseres før det kan gå inn i den endeløse resirkuleringsveien mellom ADP og ATP. Som det viser seg, krever produksjon av ett molekyl ADP minst syv molekyler ATP - et kraftig eksempel på sirkulær årsakssammenheng. Å produsere ADP krever også en ramme av enzymer som pyrofosfokinase, amidofosforibosyltransferase, GAR-syntetase, GAR-transformylase, FGAM-syntetase, AIR-syntetase, AIR-karboksylase, SAICAR-syntetase, adenylosuksinat-lyase, AICAR-transformylase,-hydro-4-syntetase, AICAR-transformylase,-hydro-4-synthetase, selvfølgelig. produksjon av hvert av disse enzymene krever tilførsel av ATP - flere lag med sirkulær årsakssammenheng.

Bilde 4. Animasjon av samme -ATP-produksjon

Livets molekyler
Det tredje og siste trinnet av kjemiosmotisk kobling involverer generalisert anvendelse av ATP for å drive hundrevis av reaksjoner for å bygge, organisere og reparere livets molekyler. Viktigere er at de nødvendige molekylene for å utnytte energi via ATP selv produseres av molekyler som krever ATP for å fungere. Så igjen, ATP må ha vært tilgjengelig for å produsere evnen til å produsere ATP.
Forskere fra livets opprinnelse er forståelig nok desperate etter å omgå all denne energiutnyttende kompleksiteten og sirkulære årsakssammenhengen. Nick Lanes forsøk på å forklare dannelsen av ATP-syntase gjennom "naturlig utvalgs vidundere" er mindre enn tilfredsstillende.
Forskere på livets opprinnelse ser noen ganger på acetogener eller metanogener, enkle former for liv som genererer en protongradient over en membran, men erstatter respirasjonskompleksene med acetyl-CoA-banen. Dette krever imidlertid sitt eget komplekse sett med enzymer og "er alt annet enn enkelt (selv om man ignorerer kilden til de komplekse kofaktorene) og er usannsynlig i å representere den første biologiske økonomien."(5) Dessuten krever metanogener og acetogener fortsatt trinn to og tre av kjemiosmotisk kobling. I stedet for å omgå all kompleksiteten av energiutnyttelse, tar acetogener eller metanogener et delvis avvik nedover en annen kompleks vei.

Håp fra fermentorer?
hydrotermiske sjakterAndre setter sitt håp til fermentorer som kan produsere ATP fra en annen (enklere) prosess: fosforylering på substratnivå. Imidlertid ser det ut til at fermentører har tatt mer en degenerert vei fra normen, i stedet for å tjene som pionerer når det gjelder å innovere mot normen. Fermentering krever komplekse enzymer for å lage ATP og produserer en stor mengde delvis oksidert sluttprodukt,(6) som hemmer videre vekst med mindre det renses opp av en annen form for liv eller ved oksidativ fosforylering. Fermentorer krever fortsatt trinn to og tre av kjemiosmotisk kobling, men interessant nok kjører de ATP-syntase i revers, og forbruker ATP for å produsere en protongradient. Dette letter aktiv membrantransport6 ​​og bidrar til å fjerne rotet som de produserer.

Bilde 5. Kunne livet blitt til i slike sjakter?

En annen antatt vei mot utviklingen av energiutnyttelse kommer fra alkaliske hydrotermiske ventiler ("hvite røykere"). Ventilasjonsåpningens naturlige pH-gradient og evne til å danne små rom gir håp om at de kan ha startet konseptet med protongradienter over en membran. Det er imidlertid en rekke grunner til at alkaliske hydrotermiske ventiler ikke når opp til oppgaven: Brian Miller, som skriver i tidsskriftet Inference, har vist at energitettheten som kreves av livet er omtrent 100 000 000 ganger den som kan produseres av pH-gradientene over ventilene.(7) De små avdelingene i bergstrukturen har "membraner" som er alt for tykke for energiutnyttelse. Og de ville fortsatt kreve komplekst molekylært maskineri for å utnytte den frie pH-gradienten.(8)


Energiutnyttelse i selv de enkleste livsformer krever ekstrem kompleksitet og viser sirkulær årsakssammenheng. Talsmenn for abiogenese søker desperat å omgå denne kompleksiteten, men deres beste tilnærming så langt krever at de stoler blindt på underverkene til naturlig utvalg.

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund


Referanser

1. Lane N, The Vital Question. 2016, New York, NY: W. W. Norton and Company, p. 73.
2. Ibid., p. 73.
3. Vu Huu, K.; Zangl, R.; Hoffmann, J.; Just, A.; Morgner, N. Bacterial F-type ATP synthases follow a well-choreographed assembly pathway. Nature Communications 2022: 13; 1-13.
4. Voet, D.; Voet, J. G.; Pratt, C. W. Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2013. Figure 23-1.
5. Harold FM. In Search of Cell History: The Evolution of Life’s Building Blocks. 2014, Chicago, IL: University of Chicago Press, p. 76.
6. Coleman JP, Smith CJ. Microbial Metabolism: Reference Module in Biomedical Sciences, Elsevier, 2014, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801238-3.05146-1.
7. Miller, B and England, J. “Hot Wired.” Inference. May 2020. https://inference-review.com/article/hot-wired (accessed April 28, 2022).
8. Jackson JB. Natural pH gradients in hydrothermal alkali vents were unlikely to have played a role in the origin of life. J Molecular Evolution. 2016: 83; 1-11.