Wczesne fazy ewolucji: okres prebiotyczny
najwcześniejsze ślady życia Nasza planeta powstała ok. 4,5 mld lat temu i, jak się wydaje, najwcześniejsze ślady życia można datować na ok. 3,5 mld lat temu. Ślady te to mikropęcherzyki w skałach osadowych, będące najprawdopodobniej pozostałościami po prymitywnych komórkach. Warunki panujące na powierzchni Ziemi w ciągu owego pierwszego miliarda lat ewolucji nie są dokładnie znane, wiadomo jednak, że planeta była pokryta wodą, zaś w jej atmosferze praktycznie nie było tlenu, bowiem obecnie występujący tlen jest wynikiem aktywności fotosyntetycznej roślin. Zakłada się, że pierwotna atmosfera zawierała między innymi metan i amoniak. Przeprowadzono wiele eksperymentów symulujących warunki, jakie panowały na Ziemi 4 mld lat temu i wykazano, że wyładowania elektryczne są w stanie spowodować syntezę wielu związków organicznych, stanowiących podstawowe składniki żywych komórek, jak aminokwasy, zasady purynowe i pirymidynowe oraz cukry.
Tak więc udowodniono eksperymentalnie, że te istotne związki organiczne są w stanie powstawać poza organizmami (abiotycznie). Początki życia wymagały jednak kondesacji takich cząsteczek w polimery i co najważniejsze — uzyskania przez te polimery zdolności do powielania się. Polimeryzacja mogła nastąpić w wysychających płytkich wodach oceanicznych, mogła też zostać przyspieszona poprzez adsorpcję na powierzchni minerałów, gdzie wzrost stężenia cząsteczek ułatwiałby tworzenie się łańcuchów, zaś procesy hydrolizy, czyli degradacji makromolekuł pod wpływem wody, byłyby spowolnione.
odkrycie rybozymów Najistotniejszym krokiem na drodze ewolucji prostych polimerów organicznych było jednak nie tyle utworzenie takich cząsteczek w tzw. pierwotnym bulionie, czyli wodach Ziemi, ale uzyskanie przez te cząsteczki zdolności do replikacji (kopiowania) swojej struktury. Umiejętność replikacji, a więc przekazania potomnym cząsteczkom swoich cech, jest bowiem podstawowym motorem ewolucji. Etap ten stanowił przez wiele lat najtrudniejszy problem do wyjaśnienia. Zachodził tu bowiem paradoks typu: co było wcześniej — kura czy jajko? Wydawało się, że rolę katalizatorów wszystkich procesów biologicznych (enzymów) pełnią białka, będące polimerami aminokwasów. Z kolei informacja o strukturze białek zapisana jest w kwasach deoksyrybonukleinowych (DNA) jako sekwencja nukleotydów. Białka nie potrafią się replikować, z kolei replikacja DNA wymaga białek. Z tego powodu nie można było postulować, że początek życiu dały białka, gdyż nie potrafiłyby one przekazać informacji o swej strukturze innym cząsteczkom. Z drugiej strony spontaniczne powstanie łańcucha kwasu nukleinowego w nieobecności białek nie mogłoby prowadzić do replikacji DNA. Paradoks ten został rozwiązany w 1981 r., kiedy badacze amerykańscy T. Cech i S. Altman (Nagroda Nobla w 1990 r.) udowodnili, że kwas rybonukleinowy (RNA) może pełnić funkcje katalityczne bez udziału białek. Tak więc cząsteczka RNA może być zarówno nośnikiem informacji genetycznej, jak i pełnić rolę enzymu. W obecnym świecie ożywionym niektóre procesy w komórce są oparte na katalizie z udziałem RNA np. translacja, dojrzewanie mRNA i inne, ale większość reakcji biochemicznych prowadzona jest przez białka. Cząsteczki RNA zdolne do katalizy (w odróżnieniu od tych, które pełnią rolę wyłącznie jako nośnik informacji genetycznej) nazwano rybozymami.
hipoteza "świata RNA"Odkrycia Cecha i Altmana stanowiły przełom w wyjaśnianiu wczesnej fazy ewolucji. Na ich podstawie uważa się obecnie, że pierwszą fazę ewolucji stanowił tzw. "świat RNA", złożony wyłącznie z cząsteczek RNA, będących zarówno materiałem genetycznym, jak i enzymami pozwalającymi na replikację i wykorzystanie obecnych w bulionie pierwotnym rybonukleotydów. Takie kopiowanie cząsteczek RNA było niedoskonałe, zachodziło z błędami i proces ten stał się motorem ewolucji — bowiem doszło do selekcji cząsteczek replikujących się coraz bardziej efektywnie, reprezentujących różne aktywności czy optima pH, zasolenia czy temperatury, wreszcie zdolnych do hydrolizy "obcych" cząsteczek RNA i korzystania z uwalnianych nukleotydów do własnej replikacji.
W roku 2001 hipoteza "świata RNA" doczekała się kolejnego potwierdzenia eksperymentalnego: badacz D. Bartel z USA wraz ze swoim zespołem skonstruował rybozymy zdolne do powielania sekwencji 14 nukleotydów, czyli do replikacji in vitro. Doświadczenie Bartela było w istocie przeprowadzeniem ewolucji in vitro: do znanego uprzednio rybozymu zdolnego do ligacji, czyli łączenia ze sobą cząsteczek RNA, dodawano mieszaninę losowo zsyntetyzowanych odcinków RNA: każdy odcinek miał długość 76 nukleotydów, liczba różnych sekwencji w obrębie tych 76 nukleotydów wynosiła ok. 10e15. W kolejnych rundach doświadczenia selekcjonowano cząsteczki zdolne do replikacji. W ten sposób z losowej kolekcji najróżniejszych sekwencji RNA "wyewoluowano" rybozym zdolny do przeprowadzania pożądanej reakcji. Ma długość zaledwie 189 rybonukleotydów, tak więc spontaniczne powstanie podobnych cząsteczek w ciągu miliarda lat pierwszej fazy ewolucji wydaje się bardzo prawdopodobne.
Opisane powyżej doświadczenie jest typowym przykładem ewolucji in vitro, którą z powodzeniem stosuje się w laboratoriach od kilkunastu lat. Współczesna biologia nie jest jeszcze w stanie przewidzieć właściwości katalitycznych i innych parametrów biochemicznych na podstawie sekwencji nukleotydów w kwasach nukleinowych lub sekwencji aminokwasów w białku. Dlatego też użytecznym narzędziem w badaniach są tzw. biblioteki randomizowane, tzn. zbiory cząsteczek o jak największej różnorodności sekwencji, produkowane poprzez losowe łączenie elementów. Stosując odpowiednie techniki selekcji można przeszukać taką bibliotekę i wyizolować np. gen kodujący białko o pożądanych, z góry założonych właściwościach. Wyliczenia matematyczne wskazują, że w ten sposób można uzyskać aktywne cząsteczki, których ewolucja mogła nigdy nie wytworzyć: raz wyewoluowane geny uzyskiwały bowiem przewagę selekcyjną i zostawały utrwalone. Obecnie występujące sekwencje genów są oczywiście potomkami sekwencji powstałych uprzednio. W przeciwieństwie do tego — eksperymentując z ewolucją in vitro, wytwarza się na raz gigantyczną różnorodność cząsteczek, nieskrępowaną uprzednimi zajściami. Fakt ten otwiera drogę do syntez wielu nowych leków i substancji biologicznie czynnych, pozwala także modyfikować fragmenty występujących naturalnie białek, aby lepiej dostosować je do spełniania funkcji użytecznych biotechnologicznie.
centralny dogmat biologii molekularnej Białka nie posiadają zdolności do replikacji, nie istnieje więc mechanizm biologiczny sprawiający, że dobór naturalny może być skierowany bezpośrednio wobec polipeptydów. Centralny dogmat biologii molekularnej stanowi, że informacja o strukturze białek jest zakodowana w kwasach nukleinowych, przepływ informacji nie może więc odbyć się w stronę przeciwną. Z powyższego powodu cechy nabyte nie podlegają dziedziczeniu. Organizmy żywe są więc produktami swoich genów, cechy fenotypowe są pochodną aktywności genów i służą ochronie, replikacji i maksymalnemu sukcesowi reprodukcyjnemu powstających nowych kopii genów. Białka okazały się lepszymi biokatalizatorami niż RNA i dlatego w pewnym momencie ewolucji świat RNA zmienił się: rolę enzymów zaczęły pełnić białka, zaś DNA, będący znacznie bardziej stabilną cząsteczką niż RNA, stał się nośnikiem informacji genetycznej.
Wytworzenie katalizy opartej na białkach, które przecież musiały być kodowane przez prymitywne genomy RNA jest najmniej poznanym fragmentem wczesnej ewolucji. Występujący obecnie proces kopiowania informacji o strukturze białka zawartej w DNA na RNA (transkrypcja) oraz proces syntezy łańcucha polipeptydowego (translacja) są niezwykle złożone i wymagają wielu różnych białek i RNA. Jest niewykluczone, że w trakcie ewolucji wypróbowane zostały różne rozwiązania. Jedno jest pewne: wszystkie żyjące obecnie organizmy pochodzą od wspólnego przodka, bowiem zasady kodowania informacji, czyli tzw. kod genetyczny, są identyczne dla wszystkich organizmów (z kilkoma niewielkimi wyjątkami). Raz ustalone reguły, jak np. że kodon AUG oznacza włączenie aminokwasu metioniny do łańcucha polipeptydowego, z pewnych względów musiały uzyskać znaczącą przewagę selekcyjną. Sekwencjonowanie genomów różnych, odległych ewolucyjnie organizmów potwierdza tę zasadę. Tak więc kod genetyczny w znanej nam postaci musiał wyewoluować bardzo wcześnie i nie ma obecnie żadnych danych na temat jego ewentualnych poprzedników. Nie jest też jasne, czy istniały powody wykorzystywania określonych trójek nukleotydowych do kodowania konkretnych aminokwasów, czy też obecna tabela kodu genetycznego jest wynikiem przypadku. Jest jednak oczywiste, że po uzyskaniu przewagi selekcyjnej nad innymi systemami kodowania informacji genetycznej, obecnie występujący kod musiał ulec "zamrożeniu". Wszelkie bowiem zmiany w systemie kodowania musiałyby prowadzić do występowania mutacji typu missens w rozmaitych białkach (czyli do zmian w sekwencjach aminokwasowych białek), co spowodowałoby zmniejszenie przystosowania organizmu.
DNA jest cząsteczką znacznie bardziej stabilną od RNA, nie podlega bowiem tak łatwo hydrolizie. Prymitywne genomy oparte na RNA musiały być złożone ze stosunkowo krótkich, najwyżej kilkusetnukleotydowch cząsteczek, w przeciwieństwie do tego rozmiary cząsteczek DNA mogą sięgać wielu milionów par zasad. Wszystkie obecnie żyjące organizmy uzyskują prekursory do syntezy DNA na drodze redukcji difosforanów rybonukleotydów, a więc prekursorów RNA. Fakt ten stanowi swego rodzaju "skamielinę biochemiczną", potwierdzającą tezę o wcześniejszej roli RNA w ewolucji. Tak więc powstanie genu kodującego enzym — reduktazę rybonukleotydodifosforanów, było kluczowym wydarzeniem prowadzącym do genomów zbudowanych z DNA. Wreszcie na pewnym etapie ewolucji musiały powstać błony oddzielające prymitywny organizm od środowiska zewnętrznego i umożliwiające kompartmentację procesów wewnątrz komórki. Taki hipotetyczny praorganizm został nazwany progenotą.
