Informație

Ce teorii există cu privire la modul în care moleculele autoreplicabile s-au organizat în primele celule?

Ce teorii există cu privire la modul în care moleculele autoreplicabile s-au organizat în primele celule?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Când eram student la biologie la începutul anilor 90, ceea ce am învățat și citit părea să indice o lacună în teoriile despre originile vieții. Desigur, nu existau dovezi reale despre cum au apărut primele macromolecule cu auto-replicare, dar existau o mulțime de teorii rezonabile. Una care mi-a rămas în mod deosebit în cap a fost ideea lui Graham Cairns-Smith că replicarea a început cu o competiție efectivă pentru spațiu între structurile cristaline cu creștere lentă, de exemplu.

Odată ce aveți ceva care seamănă vag cu o celulă, atunci, desigur, putem invoca înțelegerea noastră a evoluției darwiniste pentru a explica modul în care acele celule timpurii s-au diferențiat și s-au dezvoltat în diversitatea vieții pe care o vedem astăzi. Dar, în calitate de student, păreau puține idei despre cum am fi putut ajunge de la macromolecule la celule. Acesta nu este un pas mic: necesită ca macromoleculele noastre să fie localizate, închise într-o membrană și să înceapă să lucreze unele cu altele pentru a forma lanțuri metabolice de bază.

Am părăsit mediul academic după câțiva ani de lucru pe bancă, dar am fost lovit din nou de această întrebare zilele trecute și m-am întrebat dacă există teorii sau dovezi despre această tranziție care a apărut între timp? O căutare rapidă pe Google nu a scos la iveală nimic altceva decât aceleași platitudini vagi despre incinte de ARN cu auto-replicare, cu puține explicații despre cum s-ar fi putut întâmpla acest lucru. De asemenea, a găsit această întrebare pe Biology SE - Cum a apărut primul organism auto-replicabil? - dar care se ocupă de abiogeneza inițială, nu de celulele timpurii.

Mai sunt idei de actualitate?

EDIT: S-au cerut clarificări. Întrebarea legată - și informațiile din altă parte - tind să se concentreze pe problema generală a abiogenizei și să caute dovezi. Întreb despre o etapă foarte specifică a procesului, acela dintre moleculele care se replic și primele structuri asemănătoare celulelor. De asemenea, știu că dovezile sunt puțin probabile și cer o teorie plauzibilă.

Nu sunt complet sigur de ce acest lucru nu este clar sau de ce primesc voturi aproape.


Ce teorii există cu privire la modul în care moleculele autoreplicabile s-au organizat în primele celule? - Biologie

  1. Biochimia nu este o întâmplare. Produce inevitabil produse complexe. Se știe chiar că aminoacizii și alte molecule complexe se formează în spațiu.

  • Panspermia, care spune că viața a venit din alt loc decât pământul. Această teorie, însă, încă nu răspunde cum a apărut prima viață.
  • Microsfere de proteină (Fox 1960, 1984 Fox și Dose 1977 Fox și colab. 1995 Pappelis și Fox 1995): Această teorie oferă o explicație plauzibilă a modului în care unele structuri care se replic, care ar putea fi bine numite vii, ar fi putut apărea. Principala sa dificultate este explicarea modului în care celulele moderne au apărut din microsfere.
  • Cristale de argilă (Cairn-Smith 1985): Aceasta spune că primele replicatoare au fost cristale în argilă. Deși nu au un metabolism sau nu răspund la mediu, aceste cristale transportă informații și se reproduc. Din nou, nu există un mecanism cunoscut pentru trecerea de la argilă la ADN.
  • Hipercicluri emergente: Aceasta propune o origine treptată a primei vieți, aproximativ în următoarele etape: (1) o supă primordială de compuși organici simpli. Acest lucru pare a fi aproape inevitabil (2) nucleoproteine, oarecum ca ARNt-ul modern (de Duve 1995a) sau acidul nucleic peptidic (Nelson et al. 2000) și hiperciclurile semicatalitice (3) sau buzunarele de căi biochimice primitive care includ unele aproximative de sine. -replicare (4) hipercicluri celulare, în care hipercicluri mai complexe sunt închise într-o membrană primitivă (5) prima celulă simplă. Teoria complexității sugerează că auto-organizarea nu este improbabilă. Această viziune asupra abiogenezei este principala actuală.
  • Lumea fier-sulfului (Russell și Hall 1997 Wächtershäuser 2000): S-a descoperit că toate etapele de transformare a monoxidului de carbon în peptide pot avea loc la temperatură și presiune ridicată, catalizate de sulfuri de fier și nichel. Astfel de condiții există în jurul gurilor hidrotermale submarine. Precipitatele de sulfură de fier ar fi putut servi ca precursori ai pereților celulari, precum și catalizatori (Martin și Russell 2003). Un ciclu de peptide, de la peptide la aminoacizi și înapoi, este o condiție prealabilă pentru metabolism și un astfel de ciclu ar fi putut apărea în lumea fier-sulf (Huber și colab. 2003).
  • Polimerizarea pe suprafețe organofile adăpostite (Smith și colab. 1999): primele molecule autoreplicabile s-ar putea să se fi format în adâncituri mici ale suprafețelor bogate în silice, astfel încât roca înconjurătoare a fost primul său perete celular.
  • Ceva la care nimeni nu s-a gândit încă.

Cercetarea originii celulelor este în apă fierbinte

Cercetătorii au încercat de zeci de ani să reproducă condițiile și compușii pe care ei cred că sunt necesari pentru ca prima celulă vie să evolueze. Eșecurile lor experimentale au transmis colectiv mesajul clar că un astfel de eveniment este extrem de improbabil sau chiar imposibil.

Cu toate acestea, mulți oameni de știință continuă să caute o origine a vieții prin mijloace strict naturale și, cel mai recent, în gurile hidrotermale submarine. Mai Mult.

Credit imagine: Paul Harrison


Auto-organizare pe scară: de la molecule la organisme

Crearea de structuri ordonate din medii haotice se află în centrul proceselor biologice la nivel subcelular, celular și organismic. În această perspectivă, explorăm trăsăturile fizice, precum și biologice ale a două concepte proeminente care conduc auto-organizarea, și anume tranziția de fază și reacția-difuzie, înainte de a încheia cu o discuție despre întrebări deschise și provocări viitoare asociate cu studiul sistemelor de auto-organizare.

Acest articol face parte din problematica „Auto-organizare în biologia celulară”.

1. Introducere

O definiție folosită frecvent pentru auto-organizare este apariția dinamică a ordinii din comportamentul colectiv al agenților individuali [1]. În consecință, auto-organizarea poate avea loc la diferite durate și scări de timp. Din termodinamica de neechilibru [2], se știe de mult timp că un sistem menținut în afara echilibrului se poate autoorganiza prin formarea de oscilații, unde chimice și modele staționare [3–5]. În mod intrigant, un organism viu, alimentat de hidroliza ATP și GTP, poate fi, de asemenea, considerat un sistem departe de echilibru [6-8]. În paginile următoare, vom discuta separat principiile care conduc auto-organizarea în sistemele biologice, concentrându-ne în principal pe tranziția de fază și reacția-difuzie. Pentru ambele concepte, vom introduce mai întâi principiile care stau la baza auto-organizării din perspectivă fizică, înainte de a discuta exemple biologice la nivel molecular, celular și organism. Vom reflecta apoi asupra beneficiilor unor astfel de structuri auto-organizate în cadrul unui sistem viu, înainte de a încheia cu întrebări deschise și provocări viitoare.

2. Tranziție de fază: de la starea dezordonată la starea ordonată

(a) Tranziție de fază din perspectivă fizică

Tranziția de fază descrie capacitatea unui sistem fizic de a comuta între diferite stări, ducând la schimbarea comportamentului colectiv general sau a unei proprietăți intrinseci a întregului sistem. Pentru a introduce principiul de bază, am dori să începem cu un mic experiment de gândire. Să presupunem un sistem compus din elemente identice care difuzează, alimentate de mișcarea browniană, liber prin mediu. Urmând regulile mecanicii statistice clasice, într-un mediu complet aleatoriu compus din elemente identice probabilitatea pentru fiecare combinație posibilă este egală. Astfel, probabilitatea de a avea un astfel de sistem în stare X este

(i) Exemplul 1 - densitate și tranziție de fază

În cele ce urmează, prezentăm un exemplu despre cum poate apărea un sistem ordonat, auto-organizat. Ca mai sus, considerăm un sistem disipativ compus dintr-un număr infinit de elemente identice A. Deci avem

Acum să includem o interacțiune de tip coulombic cu entalpia de reacție și ) și kdo proporțional cu zgomotul termic din sistem. Pentru simplitate, presupunem în continuare că zgomotul termic, precum și Gdo, care reprezintă entropia fără legătură internă, rămâne constantă. În continuare, creștem încet densitatea elementelor din sistem. Într-un scenariu inițial, nu există interacțiuni interne din cauza densității foarte scăzute a lui A (figura 1A, panoul superior în albastru). Avem astfel , și . Acest lucru are sens intuitiv, deoarece probabilitatea de a crea ordine într-un sistem zgomotos în absența interacțiunii este foarte puțin probabilă. În continuare, să presupunem că creștem ușor interacțiunile interne prin creșterea densității lui A (figura 1A, panoul superior în verde). Mai exact, scădem , crescând astfel forța de interacțiune până la punctul în care . În aceste condiții, obținem și . La prima vedere, acest lucru pare contraintuitiv, deoarece faza ordonată și dezordonată sunt egale ca energie. Cu toate acestea, după cum urmează parametrul de ordine și , relația este satisfăcută atunci când de la . Astfel, la starea de echilibru sistemul va fluctua cu probabilități egale între fazele ordonate și dezordonate. În cele din urmă, creștem puternic densitatea, maximizând astfel potențialul de interacțiune, astfel încât (figura 1A, panoul superior în galben). Aceasta va scădea, provocând cu și . În aceste condiții, sistemul se va aresta singur în statul organizat.

Figura 1. Auto-organizare pe scară prin tranziții de fază dependente de densitate. (A) Profiluri energetice care descriu tranziția de fază la diferite densități (sus) și la introducerea interacțiunilor neliniare (jos). (b) Tranziții de fază dependente de densitate în filamentele de actină de alunecare. Urme (sus) și direcționalitate (mijloc) ale filamentelor de actină marcate cu rodamină placate pe miozină imobilizată la concentrație scăzută (panourile din stânga) și respectiv concentrație mare (panourile din dreapta). În partea de jos, alinierea dependentă de densitate (indicată de scorul statistic Kuiper (KS)) este reprezentată grafic în funcție de lungimea filamentului de actină. (c) Tranziții de fază dependente de densitate în migrarea colectivă a keratinocitelor. Celulele au fost placate la 1,8 (sus, stânga), 5,3 (sus, mijloc) și 14,7 (sus, dreapta) celule/10 000 um2. Urmărirea migrației celulelor (panourile din mijloc), precum și analiza parametrului de ordine (jos) arată ambele o tranziție dependentă de densitate de la migrarea aleatorie a celulelor la cea colectivă. (d) Tranziții de fază dependente de densitate în comportamentul școlii de pești. Configurațiile tipice în școala de pești includ starea roiului, starea polarizată și măcinarea. Mai jos, tranziția de fază pentru densitățile individuale ale peștilor sunt reprezentate grafic pe baza polarizării și rotației animalelor individuale în cadrul grupurilor. Imaginile au fost obținute de la (b) [9], (c) [10] și (d) [11].

(ii) Exemplul 2 — tranziția de fază în sisteme disipative

După cum este ilustrat în Exemplul 1, tranziția de fază poate fi realizată prin modificarea densității lui A. Cu toate acestea, profilurile de energie sunt statice pentru anumite condiții. Cum poate apărea un sistem dinamic, auto-organizat, fără a modifica parametrii externi? Acest lucru poate fi realizat prin introducerea neliniarității în sistem. În al doilea exemplu, vom face acest lucru prin includerea unui al doilea agent B (figura 1A, jos), unde , și numărul pozitiv n definește puterea buclei de feedback. Acum putem scrie

Pe măsură ce sistemul dezorganizat absoarbe agentul liber B (figura 1A, panoul de jos în albastru), noul B intră în sistem din rezervorul conectat. Creșterea rezultată în [B(t)] duce la scăderea și creșterea , creând astfel o buclă de feedback pozitiv. În consecință, sistemul trece într-o stare organizată (figura 1A, panoul de jos în galben), recapitulând astfel fenomenele de auto-organizare a unui sistem disipator departe de echilibrul termodinamic.

(b) Tranziție de fază din perspectivă biologică

Tranziția de fază pentru proteinele în soluție a fost descrisă cu peste 40 de ani în urmă [12]. De atunci, s-a stabilit că proteinele în soluție pot forma cristale și polimeri, precum și geluri și lichide dense [13]. Aici, principalii contributori la energia liberă (adică entalpia) a tranziției de fază sunt structurile apei de la suprafața moleculară [14] și proprietățile proteinelor, cum ar fi sarcinile de suprafață [15]. De asemenea, separarea fazelor este un concept important pentru organizarea lipidelor [16] și proteinelor [17] în membrane. În mod intrigant, lucrările recente sugerează că tranzițiile de fază au loc și la nivel celular, unde, de exemplu, au fost observate stări lichide pentru corpurile P [18], nucleoli [19] și granulele de stres [20]. În mod intrigant, tranziția de fază și separarea fazelor au fost, de asemenea, descrise ca joacă un rol relevant la nivel multicelular, unde diferențele de putere de aderență între diferite tipuri de celule pot duce la formarea modelului [21] sau la rearanjamente celulare colective [22,23]. Având în vedere că tranziția de fază a moleculelor și celulelor este în centrul mai multor perspective în acest număr, trimitem cititorii interesați să afle mai multe despre acest subiect la aceste eseuri, precum și la alte recenzii pe acest subiect interesant [14,24].

Tranzițiile de fază au fost, de asemenea, observate pentru a coordona mișcarea agenților individuali. Experimentele bazate pe particule autopropulsate, în care vibrația este folosită pentru a crea mișcarea obiectelor macroscopice, au arătat că contactul și forma sunt suficiente pentru a provoca un comportament colectiv [25,26]. De asemenea, tranziția de fază dependentă de densitate poate fi observată și cu filamentele de actină in vitro [9]. Folosind un test de motilitate bidimensional cu miozină imobilizată, deasupra căruia se pot mișca filamentele de actină, a demonstrat o autoorganizare care s-a manifestat ca alinierea paralelă a filamentelor de actină într-o manieră dependentă de densitate (figura 1).b). În special, alunecarea filamentului ia o orientare preferată la densitățile găsite în celulele vii, în timp ce orientarea se extinde pe scale de lungime similare cu dimensiunea celulelor de mamifere. Tranziția de fază dependentă de densitate poate fi observată și la nivelul mișcării celulelor colective. De exemplu, a fost observată tranziția de la starea dezorganizată la cea organizată pentru mutarea keratinocitelor de pește (figura 1).c) [10]. Foarte important, munca teoretică independentă bazată pe un model de evadare și captură susține că tranziția de fază dependentă de densitate în migrația colectivă a celulelor nu se corelează cu puterea interacțiunii celulă-celulă [27]. În cele din urmă, tranziția de fază poate fi observată și la nivel organismic. Aici, tranzițiile de fază apar ca răspuns la schimbările în dimensiunea sau densitatea populației (figura 1d) la pești [11], furnici [28] și lăcuste [29]. În plus, schimbările în comportamentul indivizilor în cadrul unui roi sunt suficiente pentru a declanșa tranziția de fază, de exemplu în timpul expansiunii flash în cazul expunerii prădătorilor [30]. Acest lucru este relevant, deoarece sugerează că roiurile tranzitează în funcție de stimul între diverse stări colective [31], creând astfel relații complexe de intrare-ieșire descentralizate. Cu toate acestea, determinarea cu precizie a energiei fizice a unor astfel de sisteme complexe nu este întotdeauna fezabilă. Astfel, unele fenomene, în special în sistemele multicelulare, pot fi considerate mai bine ca un fel de tranziție de fază folosind energia conceptuală. Pentru cititorii interesați de acest subiect, ne referim la recenzii excelente publicate în altă parte [32,33].

3. Mecanisme de reacție-difuzie

(a) Reacție-difuzie din perspectivă fizică

Alimentată de mișcarea browniană, fiecare reacție chimică este supusă difuziei. În mod intrigant, în anumite condiții, sistemele de reacție-difuzie pot forma modele complexe din condiții inițiale haotice. În această secțiune, vom dezvolta ideea de bază din spatele sistemelor de reacție-difuzie. Cea mai simplă ecuație a unui sistem de reacție-difuzie este sistemul monocomponent cu un singur termen de reacție și difuzie


Ce teorii există cu privire la modul în care moleculele autoreplicabile s-au organizat în primele celule? - Biologie

Ființele vii (chiar și organismele antice precum bacteriile) sunt enorm de complexe. Cu toate acestea, toată această complexitate nu a sărit pe deplin formată din supa primordială. În schimb, viața aproape sigur a luat naștere dintr-o serie de pași mici, fiecare bazându-se pe complexitatea care a evoluat anterior:

    S-au format molecule organice simple.
    Moleculele organice simple, asemănătoare cu nucleotidele prezentate mai jos, sunt elementele de bază ale vieții și trebuie să fi fost implicate în originea acesteia. Experimentele sugerează că moleculele organice ar fi putut fi sintetizate în atmosfera Pământului timpuriu și ar fi putut ploua în oceane. Moleculele de ARN și ADN - materialul genetic pentru toată viața - sunt doar lanțuri lungi de nucleotide simple.

Mulți biologi emit ipoteza că acest pas a dus la o „lume ARN” în care ARN-ul a făcut multe locuri de muncă, stochează informații genetice, se copiază pe sine și îndeplinește funcții metabolice de bază. Astăzi, aceste sarcini sunt îndeplinite de multe tipuri diferite de molecule (ADN, ARN și proteine, în principal), dar în lumea ARN, ARN a făcut totul.

Auto-replicarea a deschis ușa selecției naturale. Odată ce s-a format o moleculă cu auto-replicare, unele variante ale acestor replicatori timpurii ar fi făcut o treabă mai bună de a se copia singure decât altele, producând mai mulți „descendenți”. Aceste super-replicatoare ar fi devenit mai comune —, adică până când unul dintre ei a fost construit accidental într-un mod care i-a permis să fie un super-super-replicator — și apoi, acea varianta ar prelua. Prin acest proces de selecție naturală continuă, mici modificări în moleculele de replicare s-au acumulat în cele din urmă până când a evoluat un sistem de replicare stabil și eficient.


Optimitatea în sortarea moleculară auto-organizată

Celula eucariotă este unitatea de bază a animalelor și plantelor. Prin microscop, pare extrem de structurat și subdivizat în multe compartimente legate de membrană. Fiecare compartiment are o funcție specifică, iar membrana sa este populată de molecule specifice. Cum păstrează celula această ordine internă uimitoare și (în absența patologiilor) nu se degradează într-un grup informe de molecule? O astfel de degradare este contracarată printr-un proces continuu de sortare moleculară prin care molecule similare sunt colectate și expediate către destinațiile „potrivite”, în mod similar cu ceea ce se întâmplă atunci când o casă este ținută curată și ordonată de treburile zilnice. Cu toate acestea, este încă misterios cum o celulă vie poate îndeplini această sarcină fără ca un supraveghetor să o direcționeze.

Într-un recent Scrisori de revizuire fizică lucrare, o colaborare a cercetătorilor de la Politecnico di Torino, Università di Torino, Institutul Italian de Medicină Genomică—IIGM, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare—INFN și Institutul Landau pentru Fizică Teoretică (Moscova), emite ipoteza că acest proces de sortare moleculară rezultă din combinarea a două mecanisme spontane. Primul mecanism este tendința moleculelor similare de a se agrega pe membrane sub formă de „petice” sau „picături”, în același mod în care se formează picăturile de apă într-un nor de vapori care este răcit. Al doilea mecanism este tendința unor astfel de picături de a îndoi membrana, ducând la formarea și detașarea în continuare a veziculelor mici îmbogățite în componentele moleculare ale picăturilor originale. Diferitele compartimente membranare ale celulei eucariote acționează astfel în mod similar cu vasele și tuburile unui distilator natural, sau alambic, care sortează și redirecționează continuu componentele moleculare către destinațiile corespunzătoare.

În lucrarea publicată, acest proces de sortare moleculară este studiat cu instrumente matematice și simulări pe computer, arătând că înclinația spre agregare este principalul parametru de control al procesului. Pentru fiecare grup de molecule există o valoare optimă a acestui parametru (nici prea mare, nici prea mică), astfel încât procesul de sortare să aibă loc cu viteza maximă posibilă. De fapt, este nevoie de o anumită înclinație la agregare moleculară pentru a conduce procesul, dar când tendința de agregare este prea mare, moleculele „îngheață” într-un număr mare de picături mici care cresc foarte lent, iar procesul general de sortare încetinește. Observațiile experimentale ale acestui proces de distilare în celule izolate din vasele de sânge ale cordonului ombilical uman confirmă această imagine teoretică și sugerează că evoluția ar fi putut determina celulele să lucreze în regiunea optimă a parametrilor, unde procesul de sortare atinge eficiența maximă.

Aceste descoperiri sunt de un interes deosebit, deoarece reglarea greșită a sortării moleculare este un semn distinctiv al patologiilor severe, cum ar fi cancerul. Identificarea teoretică a parametrilor care controlează procesul este un prim pas important spre o mai bună înțelegere a originii unor astfel de perturbări și dezvoltarea terapiilor.


Moarte, îmbătrânire, întinerire (Partea a 2-a)

Moarte. De ce se întâmplă? De ce murim? De ce mor animalele? De ce mor plantele? Care este nevoie de asta? În opinia mea, mecanismul morții a fost selectat în timpul Evoluției.

Din poziția teoriei lui Darwin a selecției naturale, tot ceea ce aduce beneficii supraviețuirii speciilor și oferă avantaje selecției naturale se păstrează în generațiile următoare.

Îmbunătățirile au fost adesea lăsate neschimbate din momentul apariției vieții. Deși ar putea exista și alte moduri, anumite mecanisme au fost selectate accidental. Aceste îmbunătățiri sunt reproduse în genomul speciilor mai complexe. Cu miliarde de ani în urmă, conform teoriei evoluției, substanțele chimice s-au organizat aleatoriu într-o moleculă care se auto-replica.

Iluminările și radiațiile UV au ajutat la crearea primelor molecule organice. Acest fenomen este reproductibil într-un laborator. Experimentele au fost descrise în 1950-60.

Primele molecule autoreplicabile au fost probabil ARN. Primele enzime au fost probabil ARN - enzime. Apoi, proteinele, ADN-ul și moleculele lipidice mai complexe și polizaharidele au venit la scenă.

Moartea așa cum este nu a existat în stadiul Ciorbei primitive. Sigur că unele molecule organice au fost distruse, altele noi create. Dar, în general, era încă acel bulion primar învolburat și clocotit - aproape viu în înțelegerea noastră ca un amestec de reacții biochimice.

Totul în evoluție a fost construit din blocurile anterioare selectate cândva din întâmplare.

Apariția membranelor lipidice permite compartimentarea bulionului primar și crearea primelor celule.

La stadiul celular am putea deja vorbi despre Moarte. Celula este distrusă, membrana este ruptă, totul s-a scurs. Aceasta este Moartea.

Conținutul celulei din interiorul membranei lipidice este iradiat. Procesul de învârtire moleculară nebună este încurcat de radicalii liberi în mod ireversibil. Acestea sunt, de asemenea, semne ale morții.

Cu toate acestea, în stadiul celular, nu putem vorbi despre îmbătrânire. Moartea în această etapă este accidentală, nu este programată.

Moleculele organice pot îmbătrâni (oxidare, conjugare etc.) și celula ar muri. Dar moleculele deteriorate sunt reparate sau sintetizate proaspete de obicei. Prin urmare, nu există un motiv întemeiat pentru ca un organism cu o singură celulă să îmbătrânească. Daunele ireparabile din cauze externe duc la moarte, nu la îmbătrânire. Aceasta este moartea accidentală. Pentru organismele multicelulare, există un organism parental care îmbătrânește și în cele din urmă moare după ce se naște generația următoare. Pentru organismul monocelular, există un organism parental care se împarte și devine generația următoare. Nu există îmbătrânire care să conducă la moartea organismului parental.

Organismele monocelulare sunt practic nemuritoare într-un mediu potrivit.

Mecanismul de divizare a fost selectat în timpul evoluției. Celula are volum (3-D). Membrana de suprafață se măsoară în unități pătrate (2-D). Creșterea dincolo de limite provoacă o aprovizionare inadecvată de nutriție din mediu. Diviziunea rezolvă problema.

Microbii, bacteriile sunt nemuritoare. Unii se împart la fiecare 20 de minute. Într-o oră se înmulțesc de 8 ori.

Celulele tumorale se divid mai lent. Sunt eucariote. Cel mai agresiv se divide o dată pe zi. Nu este nevoie de îmbătrânire.

Ar muri dacă nu le hrăniți. Ei mor când îi ucizi cu înălbitor nediluat într-un balon. Altfel cresc de neoprit. Fără îmbătrânire.

Se presupune că organismul multicelular are mai multe mecanisme de control pentru a preveni creșterea și diviziunea excesivă, pentru a ucide o celulă în plus. Se folosește apoptoza, moartea programată.

Celulele canceroase pierd adesea mecanismele de control.

Un om de știință din Yale mi-a subliniat odată că nu putem spune că aceste celule sunt nemuritoare. Poate se divid și celula parentală moare. Intr-adevar. Nu urmărim soarta fiecărei celule individuale în timpul experimentelor. Ar trebui să dea mai multe celule copiilor decât celulele parentale mor. Altfel nu ar exista înmulțirea. Este un scenariu posibil. Nu urmărim nici soarta bacteriilor individuale. Poate chiar suferă de îmbătrânire.

Pe de altă parte, unele experimente sugerează că celulele noi conțin aproximativ jumătate din celula părinte după diviziune.

Deci nu este Moarte sau Îmbătrânire. Generațiile următoare conțin 1/4, 1/8, 1/16 și așa mai departe din celula părinte. Orice mecanism mai complex decât simpla împărțire ar cauza un dezavantaj în evoluție și ar fi rapid eliminat. La nivelul organismului monocelular, nici îmbătrânirea, nici apoptoza nu au prea mult sens. Deși Natura are adesea motive ascunse.

Fenomenul Flick și scurtarea telomerilor au sens pentru un organism multicelular. Celulele organismului multicelular îmbătrânesc. Ei încetează să se împartă după 70 de divizii.

Un organism cu mai multe celule are avantaje clare față de o celulă mono.

De ce ar fi selectat mecanismul morții pentru organismele multicelulare? Scenariul ar putea fi următorul.

Organismele mari au mai multe avantaje comparativ cu cele mai mici - stabilitate, protecție etc. Nu există atât de mulți inamici naturali pentru balenă sau elefant din cauza dimensiunii lor. Animalele mari ar putea fi doborâte de bacterii, viruși, mici paraziți și lipsa hranei disponibile. Un prădător rar atacă balenă sau elefant.

Nu e de mirare că evoluția mergea în direcția animalelor mai mari - doar uită-te la oasele gigantice de dinozauri și vei simți o oarecare apreciere.

Acum milioane de ani, nu numai dinozaurii, ci și insectele sau crustaceele erau enorme. Gândaci, păianjeni sau libelur cu dimensiunea de un metru (3 picioare). Întorcându-ne în timp, găsim cochilii de moluște enorme. Multe lucruri sugerează că animalele mai mari, cu o creștere de neoprit, au multe avantaje în comparație cu cele mici. Noile specii evoluează adesea în mărimea lor. Un exemplu este accelerarea creșterii la oameni. Femelele preferă perechi mai înalți care duc la copii mai înalți. Plantele mai scurte nu pot concura de obicei cu formele mai înalte în sălbăticie. Un mutant scurt dintr-un petec de plante înalte ar fi umbrit

Mecanismul de reproducere a fost de asemenea selectat în timpul evoluției. Orice animal nou, fie că este un șoarece sau un om, începe viața ca o singură celulă. Celula respectivă se diferențiază și se dezvoltă într-un animal complet. Acesta asigură că o secvență variantă avantajoasă rară a ADN-ului va fi propagată rapid prin selecție naturală. Este mult mai ușor să te reproduci și poate să obții niște gene noi sau mutații favorabile pornind de la o singură celulă decât pornind de la un întreg organism multicelular. Funcțiile majorității genelor vor fi fost optimizate prin mutație punctuală aleatorie și selecție la orice specie dată. Semnalizarea între celule în timpul procesului de dezvoltare asigură că totul ajunge la locul potrivit. Modificările mici în aceste procese de semnalizare pot avea efecte foarte mari asupra animalului rezultat. Genomul, cu cel mult patruzeci și șaizeci de mii de gene, este capabil să specifice crearea unui corp uman care conține trilioane de celule, miliarde de neuroni cu fire atent și sute de tipuri diferite de celule, toate sculptate uimitor în organe la fel de diverse precum ficatul și creierul. . Acesta este motivul pentru care a fost selectat mecanismul de proliferare a ovocitelor fertilizate.

Prin urmare, a avea animale mai tinere (mai mici) și mai bătrâne (mai mari) are sens.

Dar există o problemă: animalele adulte (sau plantele) consumă toată hrana din jur și nu mai rămâne mult pentru generația următoare.

Atunci, acesta este motivul pentru care mecanismul morții a fost selectat ca mijloc de stabilire a următoarei generații.

În primul rând, a fost selectat mecanismul de proliferare. Dacă organismul monocelular nu are mecanism de reproducere, nu produce descendenți cu posibile mutații favorabile. Să presupunem că există bacterii primitive create spontan în supa primitivă. Doar puțini dintre ei. Ei consumă hrană, trăiesc fericiți, practic nemuritori dar nu se împart. Apoi a apărut un set de enzime în timpul mutațiilor. Setul permite bacteriilor să se despartă. Sinteza noului set este dezavantajoasă. Necesită energie și nutriție suplimentară. Dar avantajul divizării permite noilor mutanți să dezvolte imediat celulele neproliferante. Selecția este într-adevăr taioasă.

Bacteriile care cresc într-un tub reprezintă o mini evoluție. Orice bacterie care se potrivește mediului înconjurător este, de asemenea, selectată pe baza simplității. Într-un mediu toxic (antibiotice), bacteriile mutante care au un nou mecanism de neutralizare ar supraviețui. Dar bacteriile mai simple vor crește în cele din urmă peste cele complicate. Cu excepția cazului în care complicația oferă avantaje mari care depășesc beneficiile simplității. Un alt exemplu: virusul HIV este foarte complex în comparație cu alți viruși. Dar, din cauza complexității, evită răspunsul imun. Acesta este motivul pentru care are atât de succes. Pentru oameni s-a discutat că herniile reprezintă o problemă directă a posturii erecte. Deci postura erectă duce la dezavantaj. Pe de altă parte, postura erectă eliberează mâna, ceea ce permite producerea uneltelor și acest lucru oferă un avantaj uriaș în supraviețuirea în lumea naturală, creând posibilitatea de a se adapta practic la orice condiție.

Toate animalele înalte au doar 4 extremități. Evident, este suficient într-un mediu stricat. Creșterea altor două extremități va consuma mult mai multe resurse și va dura mult mai mult timp, fără a oferi un avantaj mare în ceea ce privește viteza sau protecția unui animal. Astfel, pericolul de a pierde unul dintre membre nu este atât de mare precum pericolul de a nu prolifera suficient de repede.

Designul bilateral al majorității animalelor a fost ales la nivelul speciilor primitive. Deși organismele multicelulare inferioare pot avea simetrie pe 3 laturi sau simetrie pe 5 laturi ca stelele de mare. Adesea, ceva ales în selecție devine elemente de bază pentru speciile superioare. Poate că tigrul simetric pe 5 laturi ar fi posibil, dar necesită un lanț intermediar.

Același lucru este valabil și pentru mecanismul Morții. Odată ales, este replicat în toate organismele superioare. Ar trebui să ofere un avantaj în supraviețuirea finală a speciilor. Altfel își pierde sensul și speciile ar fi distruse.

Deci, care este avantajul pentru moarte?

Animalele nemuritoare și fără copii cresc și cresc. Mutațiile duc la ca specii să producă descendenți. Au dezavantajul că au fost mai complexe. Dar avantajul proliferării animalelor este ocuparea unor zone mai vaste. Ele înlocuiesc speciile nemuritoare și fără copii. Acum, dacă animalele în proliferare sunt nemuritoare, ele nu oferă urmașilor suficient spațiu sau hrană. Următorii pași de mutație au adus mecanismul morții programate la o anumită vârstă.

Să luăm în considerare situația când din două specii una este nemuritoare și produce descendenți, cealaltă este muritoare și are urmași. Mortalitatea pare un dezavantaj evident într-un mediu stabil. Organismele adulte sunt mai puternice și mai protejate în comparație cu cele juvenile.

Cu toate acestea, următoarea catastrofă va distruge cu totul toate speciile. Doar unii mutanți pot adopta noul mediu. But "mutant" for a multicellular organism imply that the mutation happened when the organism had only one cell (the stage of fertilized oocyte for example). Otherwise it needs precisely the same mutations on the level of several cells - infinitely impossible event.

Thus, any species that had the mechanism to allow next generation to flourish (mechanism of programmed Death) will have advantage. They produce more offspring than immortal species. Death of parents spares the space and nutrition. Immortals can die form accidents only. It is too long for children to expect a vacancy.

Then, having more offspring automatically means having more mutations (by mere number of events). Having more mutations means more probability for adaptation to the new environment.

Immortal multicellular organisms, even if they existed in the past, were quickly wiped out by accidents and overgrown by mortal multicellular organisms.


Cellular Design and Its Evolution

The cell is the essence of biology. At least that is how 20th century molecular biology saw it, and the great goal was to understand how cells were organized and work. This goal, it was assumed, could be accomplished by cataloging (and characterizing) all of the parts of the mechanism, with the tacit assumption that given such a parts list the overall organization of the cell would become apparent. Today, such lists exist for several organisms. Yet an understanding of the whole remains as elusive a goal as ever (34).

The fault here lies with the reductionist perspective of molecular biology. The problem of cellular design cannot be fit into this rigid, procrustean framework. It should be obvious from the foregoing discussion that biological cell design is not a static, temporal, or local problem. Indeed, the problem cannot be understood (as opposed to described) apart from the evolution of that design.


What theories exist as to how self-replicating molecules organised into the first cells? - Biologie


The Primordial Soup Theory suggest that 3.8 billion to 3.55 billion years ago life began in a pond or ocean as a result of the combination of chemicals from the atmosphere and some form of energy to make amino acids, the building blocks of proteins, which would then evolve into the first species on Earth.

Primordial soup is a term introduced by the Soviet biologist Alexander Oparin. In 1924, he proposed the theory of the origin of life on Earth through the transformation, during the gradual chemical evolution of molecules that contain carbon in the primordial soup. Biochemist Robert Shapiro has summarized the "primordial soup" theory of Oparin and Haldane in its "mature form" as follows:

    1. The early Earth had a chemically reducing atmosphere.

2. This atmosphere, exposed to energy in various forms, produced simple organic compounds ("monomers").

3. These compounds accumulated in a "soup", which may have been concentrated at various locations (shorelines, oceanic vents etc.).

4. By further transformation, more complex organic polymers - and ultimately life - developed in the soup.

Whether the mixture of gases used in the Miller-Urey experiment truly reflects the atmospheric content of early Earth is a controversial topic. Other less reducing gases produce a lower yield and variety. It was once thought that appreciable amounts of molecular oxygen were present in the prebiotic atmosphere, which would have essentially prevented the formation of organic molecules however, the current scientific consensus is that such was not the case.

One of the most important pieces of experimental support for the "soup" theory came in 1953. A graduate student, Stanley Miller, and his professor, Harold Urey, performed an experiment that demonstrated how organic molecules could have spontaneously formed from inorganic precursors, under conditions like those posited by the Oparin-Haldane Hypothesis. The now-famous "Miller-Urey experiment" used a highly reduced mixture of gases - methane, ammonia and hydrogen - to form basic organic monomers, such as amino acids. This provided direct experimental support for the second point of the "soup" theory, and it is around the remaining two points of the theory that much of the debate now centers.

Apart from the Miller-Urey experiment, the next most important step in research on prebiotic organic synthesis was the demonstration by Joan Oro that the nucleic acid purine base, adenine, was formed by heating aqueous ammonium cyanide solutions.

In support of abiogenesis in eutectic ice, more recent work demonstrated the formation of s-triazines (alternative nucleobases), pyrimidines (including cytosine and uracil), and adenine from urea solutions subjected to freeze-thaw cycles under a reductive atmosphere (with spark discharges as an energy source).

The spontaneous formation of complex polymers from abiotically generated monomers under the conditions posited by the "soup" theory is not at all a straightforward process. Besides the necessary basic organic monomers, compounds that would have prohibited the formation of polymers were formed in high concentration during the Miller-Urey and Oro experiments. The Miller experiment, for example, produces many substances that would undergo cross-reactions with the amino acids or terminate the peptide chain.

More fundamentally, it can be argued that the most crucial challenge unanswered by this theory is how the relatively simple organic building blocks polymerize and form more complex structures, interacting in consistent ways to form a protocell. For example, in an aqueous environment hydrolysis of oligomers/polymers into their constituent monomers would be favored over the condensation of individual monomers into polymers.

Abiogenesis or biopoiesis is the natural process by which life arises from inorganic matter. The earliest known life on Earth existed between 3.9 and 3.5 billion years ago, during the Eoarchean Era when sufficient crust had solidified following the molten Hadean Eon.

Scientific hypotheses about the origins of life may be divided into several categories. Most approaches investigate how self-replicating molecules or their components came into existence. For example, the Miller-Urey experiment and similar experiments demonstrated that most amino acids, often called "the building blocks of life", can be racemically synthesized in conditions thought to be similar to those of the early Earth. Several mechanisms have been investigated, including lightning and radiation. Other approaches ("metabolism first" hypotheses) focus on understanding how catalysis in chemical systems in the early Earth might have provided the precursor molecules necessary for self-replication.

Researchers at the University of Leeds may have solved a key puzzle about how objects from space could have kindled life on Earth. While it is generally accepted that some important ingredients for life came from meteorites bombarding the early Earth, scientists have not been able to explain how that inanimate rock transformed into the building blocks of life.

This new study shows how a chemical, similar to one now found in all living cells and vital for generating the energy that makes something alive, could have been created when meteorites containing phosphorus minerals landed in hot, acidic pools of liquids around volcanoes, which were likely to have been common across the early Earth.

"The mystery of how living organisms sprung out of lifeless rock has long puzzled scientists, but we think that the unusual phosphorus chemicals we found could be a precursor to the batteries that now power all life on Earth. But the fact that it developed simply, in conditions similar to the early Earth, suggests this could be the missing link between geology and biology," said Dr Terry Kee, from the University's School of Chemistry, who led the research.

All life on Earth is powered by a process called chemiosmosis, where the chemical adenosine triphosphate (ATP), the rechargeable chemical 'battery' for life, is both broken down and re-formed during respiration to release energy used to drive the reactions of life, or metabolism. The complex enzymes required for both the creation and break down of ATP are unlikely to have existed on the Earth during the period when life first developed. This led scientists to look for a more basic chemical with similar properties to ATP, but that does not require enzymes to transfer energy.

Phosphorus is the key element in ATP, and other fundamental building blocks of life like DNA, but the form it commonly takes on Earth, phosphorus (V), is largely insoluble in water and has a low chemical reactivity. The early Earth, however, was regularly bombarded by meteorites and interstellar dust rich in exotic minerals, including the far more reactive form of phosphorus, the iron-nickel-phosphorus mineral schreibersite.

The scientists simulated the impact of such a meteorite with the hot, volcanically-active, early Earth by placing samples of the Sikhote-Alin meteorite, an iron meteorite which fell in Siberia in 1947, in acid taken from the Hveradalur geothermal area in Iceland. The rock was left to react with the acidic fluid in test tubes incubated by the surrounding hot spring for four days, followed by a further 30 days at room temperature.

In their analysis of the resulting solution the scientists found the compound pyrophosphite, a molecular 'cousin' of pyrophosphate - the part of ATP responsible for energy transfer. The scientists believe this compound could have acted as an earlier form of ATP in what they have dubbed 'chemical life'.

"Chemical life would have been the intermediary step between inorganic rock and the very first living biological cell. You could think of chemical life as a machine a robot, for example, is capable of moving and reacting to surroundings, but it is not alive. With the aid of these primitive batteries, chemicals became organized in such a way as to be capable of more complex behavior and would have eventually developed into the living biological structures we see today," said Dr Terry Kee.

The team from NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL-Caltech) working on the Curiosity rover, which landed on Mars in August last year, has recently reported the presence of phosphorus on the Red Planet. "If Curiosity has found phosphorus in one of the forms we produced in Iceland, this may indicate that conditions on Mars were at one point suitable for the development of life in much the same way we now believe it developed on Earth," added Dr Kee.

The team at Leeds are now working with colleagues at JPL-Caltech to understand how these early batteries and the 'chemical life' they became part of might have developed into biological life. As part of this work they will be using facilities in the University of Leeds' Faculty of Engineering, currently used to test new fuel cells, to build a 'geological fuel cell' using minerals and gases common on the early Earth. Researchers will apply different chemicals to its surface and monitor the reactions take place and the chemical products which develop.

The team also hope to travel to Disko Island in Greenland which is home to the Earth's only naturally-occurring source of schreibersite, the mineral found in the Sikhote-Alin meteorite. Here, they hope to repeat their experiments and show that the same chemicals develop in an entirely Earth-originated setting.


New Research Rejects 80-Year Theory of 'Primordial Soup' as the Origin of Life Science Daily - February 3, 2010

For 80 years it has been accepted that early life began in a 'primordial soup' of organic molecules before evolving out of the oceans millions of years later. Today the 'soup' theory has been over turned in a pioneering paper in BioEssays which claims it was the Earth's chemical energy, from hydrothermal vents on the ocean floor, which kick-started early life.

"Textbooks have it that life arose from organic soup and that the first cells grew by fermenting these organics to generate energy in the form of ATP. We provide a new perspective on why that old and familiar view won't work at all," said team leader Dr Nick lane from University College London. "We present the alternative that life arose from gases (H2, CO2, N2, and H2S) and that the energy for first life came from harnessing geochemical gradients created by mother Earth at a special kind of deep-sea hydrothermal vent -- one that is riddled with tiny interconnected compartments or pores."

The soup theory was proposed in 1929 when J.B.S Haldane published his influential essay on the origin of life in which he argued that UV radiation provided the energy to convert methane, ammonia and water into the first organic compounds in the oceans of the early earth. However critics of the soup theory point out that there is no sustained driving force to make anything react and without an energy source, life as we know it can't exist.

"Despite bioenergetic and thermodynamic failings the 80-year-old concept of primordial soup remains central to mainstream thinking on the origin of life," said senior author, William Martin, an evolutionary biologist from the Insitute of Botany III in Dusseldorf. "But soup has no capacity for producing the energy vital for life."

In rejecting the soup theory the team turned to the Earth's chemistry to identify the energy source which could power the first primitive predecessors of living organisms: geochemical gradients across a honeycomb of microscopic natural caverns at hydrothermal vents. These catalytic cells generated lipids, proteins and nucleotides which may have given rise to the first true cells.

The team focused on ideas pioneered by geochemist Michael J. Russell, on alkaline deep sea vents, which produce chemical gradients very similar to those used by almost all living organisms today -- a gradient of protons over a membrane. Early organisms likely exploited these gradients through a process called chemiosmosis, in which the proton gradient is used to drive synthesis of the universal energy currency, ATP, or simpler equivalents. Later on cells evolved to generate their own proton gradient by way of electron transfer from a donor to an acceptor. The team argue that the first donor was hydrogen and the first acceptor was CO2.

"Modern living cells have inherited the same size of proton gradient, and, crucially, the same orientation -- positive outside and negative inside -- as the inorganic vesicles from which they arose" said co-author John Allen, a biochemist at Queen Mary, University of London.

"Thermodynamic constraints mean that chemiosmosis is strictly necessary for carbon and energy metabolism in all organisms that grow from simple chemical ingredients [autotrophy] today, and presumably the first free-living cells," said Lane. "Here we consider how the earliest cells might have harnessed a geochemically created force and then learned to make their own." This was a vital transition, as chemiosmosis is the only mechanism by which organisms could escape from the vents. "The reason that all organisms are chemiosmotic today is simply that they inherited it from the very time and place that the first cells evolved -- and they could not have evolved without it," said Martin.

"Far from being too complex to have powered early life, it is nearly impossible to see how life could have begun without chemiosmosis," concluded Lane. "It is time to cast off the shackles of fermentation in some primordial soup as 'life without oxygen' -- an idea that dates back to a time before anybody in biology had any understanding of how ATP is made."


What theories exist as to how self-replicating molecules organised into the first cells? - Biologie

Building a Habitable Planet
Can we recover the record of the early Earth? Herv Martin and his colleagues uncover new clues.
By Simon Mitton

Origin of Life: First Steps
Just how did life emerge on Earth and under what conditions might it arise on other planets?
By Toby Murcott

The Violent Origin of the Solar System
Was the origin of our solar system special or are the conditions for life ubiquitous in the Universe?
By Simon Mitton

More European Related Features

Looking for Microbial Martians
The search for amino acids on Mars - A miniature detector, 1 million times more sensitive than the ones carried by Viking, will be aboard ESA's ExoMars mission in 2013.
By David Tenebaum

Hitchhikers Guide to Astrobiology
If you were stranded on a desert moon, what laboratory equipment would you want to have with you in your suitcase?
By Aaron Gronstal

Space on Earth
In his book, “Space on Earth,” microbiologist Charles Cockell urges space scientists and environmentalists to work together for the future for humanity.
By Charles Cockell

Rezumat: One of the biggest puzzles in biology is also one of the principal challenges for astrobiology. Just how did life emerge on Earth and under what conditions might it arise on other planetary bodies?


The Origin of Life: First Steps

One of the biggest puzzles in biology is also one of the principal challenges for astrobiology. Just how did life emerge on Earth and under what conditions it might arise on other planetary bodies? This is an area of research that is still highly speculative but there are clues available from the careful analysis of what we know of life on Earth today. Buried deep in the cell are chemical fossils that hint at the way simple molecules might have got together to produce the beginnings of life.

It is this period of the Earth s pre-history, the transition from small, simple molecules to large, complex cells, that has been subjected to detailed scrutiny in From Suns to Life: A Chronological Approach to the History of Life on Earth edited by M. Gargaud et. al. and reprinted from Earth, Moon, and Planets, Vol. 98/1-4, 2006. This is an ambitious book put together by a number of professionals in the French astrobiology community and this review looks at just the chapter on the pre-biotic world. Starting with the newly habitable Earth and ending with the first true cell, known as the Last Common Ancestor - a period that stretches from roughly 4.2 to 2 billion years ago From Suns to Life brings together the current thinking of this challenging subject.

What hits you immediately about this subject is the large amount of uncertainty and the many different possible scenarios. Concerning the transition from prebiotic chemistry to life, there is no clear evidence of chronology. There are many different pathways from pre-biotic soup to living organisms, and numerous possible intermediate stages with any number of complex organic and biochemical reactions en route. It s also clear that the biochemicals of today may have performed very different functions in the past. For example, the majority of chemical reactions are today mediated by protein enzymes but some indications from biology suggest that RNA was widely used as a catalyst during early chemical evolution.

There is general agreement about the main players. Amino acids, nucleosides and nucleotides as the small pre-cursors leading to peptides, proteins and the long polymers of RNA and DNA. Energy sources are also required and there are important supporting roles for fats, carbohydrates and inorganic ions such as magnesium, iron and sodium. But just what happened and in what order is a matter of much debate and likely to remain so for some time.

Broadly speaking- and if we do accept for now the roles of metabolisms and energy transfer processes- , there are three main roles of biochemicals in living organisms: storage of genetic information, structure, and catalysis. For example, the capture of energy involves structures fine tuned to perform their function coupled with a catalytic activity to facilitate the necessary chemical reactions. These can be clearly seen in the structure and function of modern day bacteria or mitochondria and chloroplasts. The compartments within the cell are defined and controlled by the combination of lipids and proteins that make up cell membranes and of course genetic information is stored as long strands of DNA. One of the requirements of any description of chemical evolution is to suggest a plausible mechanism by which the evolving molecules can fit into one or more of these roles.

Three different scenarios for chemical evolution are discussed in the review co-evolution self-replicating peptides and the RNA world. Co-evolution makes no specific assumptions about a sequence of events. It argues that a protein and nucleic acid based life emerged more or less fully formed from a cocktail of pre-cursor molecules.It is the simplest of the models, requiring perhaps the least detailed explanation but it is not a particularly satisfying description.

The self-replicating peptide scenario argues that short strands of protein, peptides, were the first class of large biochemical to emerge from the soup. It requires them to perform their modern functions of catalysis and structure but also to store early genetic information. Intriguingly, there is a peptide based molecule that might, in theory, have performed this function. Called a Peptide Nucleic Acid (PNA) it has a similar structure to RNA but is not a nucleic acid. However, a fundamental problem with this is that it would have to have been replaced at some later period by RNA and then DNA. There is, as yet, no convincing rationale for this transition and what s more, there is no hint of PNA in any modern organism. While that does not rule it out, both biochemical and Darwinian evolution are expected to leave detectable traces of their heritage behind.

The model that receives the most attention (and perhaps the most straightforward) is that of the RNA world. In this short strings of nucleic acid, RNA, are the first complex biochemical molecules to emerge from the soup. They have to perform the three functions of structure, catalysis and genetic storage. However, RNA does indeed perform all of these functions to some degree in modern cells perhaps the smoking gun of molecular evolution.

The final steps from the RNA world to the modern is its substitution by DNA as the primary carrier of genetic information and the replacement of RNAzymes with protein enzymes. Then, or perhaps simultaneously, there needs to be a higher level of self assembly as the many different components required for life organize themselves into cell like structures. And then there is the role of viruses. Undoubtedly ancient, they are increasing seen as crucial elements of evolution as they swap genes from one organism to another.

It is impossible to say which of these scenarios most accurately represents what really happened on an early Earth. The discussion is also far more complex than this brief race through some of the ideas. Astrobiology, though, might provide one of the few opportunities to help unravel some of the puzzle. What might we find in the oceans of Europa or even the methane lakes of Titan? Even if there is nothing that might be classified as life, could they contain elements of the pre-biotic soup? If so, which model might they support?

This book covers every element of the evolution of life from the emergence of simple organic molecules to theories on how the first cells might have got together. How did groups of chemicals and their associated reactions become compartmentalised into prototype cells? What was the involvement of inorganic matrices and, the big one, how did complexity arise from simple origins? The authors painstakingly pore over the limited evidence and maks intelligent, though guarded, speculations as appropriate. Anyone who is not comfortable with biochemistry might struggle at times but the summaries are less intense and will allow virtually all readers to grasp the concepts and uncertainties. In describing the problem of how life emerged the authors also illustrate why astrobiology might provide one of the few experimental opportunities to test the hypotheses.