Teka-Teki Luar Biasa tentang Asal Usul Kehidupan

SAYADalam upaya mereka untuk menjelaskan makna “kehidupan”, para ilmuwan dan filsuf telah menawarkan lusinan definisi. Akhir-akhir ini, para peneliti kurang lebih sepakat bahwa agar sesuatu bisa hidup, ia harus mampu bereproduksi dan berevolusi melalui seleksi alam.

Meskipun upaya ini mungkin semakin mendekatkan kita pada pemahaman tentang kehidupan di Bumi adalahdan kehidupan apa di tempat lain bisa jaditidak ada yang terbukti sangat membantu dalam menguraikan bagaimana kehidupan muncul. Sejauh ini, pendekatan yang paling berhasil adalah dengan melibatkan eksperimen kreatif. Hal ini termasuk upaya yang bertujuan untuk menemukan jalur yang masuk akal, berdasarkan apa yang kita ketahui tentang lingkungan awal bumi, yang memungkinkan ilmu kimia dasar menjadi biologi sederhana. Tidak mengherankan, upaya awal untuk melakukan hal ini menemui kendala yang tampaknya tidak dapat diatasi: Ketidakmampuan untuk menentukan mana yang lebih dulu—kemampuan untuk mempercepat reaksi kimia penting, atau kemampuan untuk membawa informasi.

Ambil contoh, komponen molekuler utama kehidupan—asam nukleat (RNA dan DNA) dan protein. RNA dan DNA bertanggung jawab untuk menyimpan instruksi pengoperasian kehidupan dan semua informasi yang diteruskan dari satu generasi ke generasi berikutnya. Protein adalah pekerja keras dalam kehidupan, melaksanakan sebagian besar fungsi biokimia sel. Namun membuat protein memerlukan informasi yang dikodekan dalam RNA dan DNA, sementara pada saat yang sama merakit RNA dan DNA sendiri memerlukan protein!

Demikian pula, enzim proteinlah yang memicu metabolisme, proses kimia di dalam sel yang memungkinkan sel menggunakan nutrisi dan sumber energi; namun yang menciptakan enzim-enzim tersebut adalah biokimia yang keberadaannya berasal dari metabolisme! Bagaimana mungkin yang satu bisa berputar tanpa ada yang lain terlebih dahulu?

Selama bertahun-tahun, lingkaran penyebab ini telah menjadi dilema “ayam atau telur” dan meyakinkan banyak ilmuwan bahwa kehidupan hanya dapat muncul melalui suatu kecelakaan kimia yang hampir ajaib. Para ilmuwan bertanya-tanya, bagaimana lagi campuran unsur-unsur kimia yang kacau bisa tiba-tiba berubah menjadi kehidupan biologis? Saat kami menjelajah di buku baru kami, Apakah Bumi Luar Biasa?: Pencarian Kehidupan Kosmik, Penelitian dalam dua dekade terakhir berhasil menemukan jalan keluar yang kreatif dari labirin tersebut.

TPetunjuk pertama mengenai solusi potensial terhadap masalah ini ditemukan pada akhir tahun 1960an. Robert W. Holley, ahli biokimia di Cornell University, menyusun urutan dan struktur kimia molekul RNA tertentu, yang dikenal sebagai transfer RNA atau tRNA. Kemudian ahli biofisika Aaron Klug dan Alexander Rich menindaklanjutinya dengan mengungkap arsitektur lipatan tRNA. Yang mengejutkan semua orang, struktur RNA ini lebih mirip protein daripada DNA, dengan lipatan-lipatan yang rumit—tidak seperti DNA heliks ganda yang agak kaku, tidak berbentuk, dan berbentuk tangga.

Ahli kimia Leslie Orgel dan ahli biologi molekuler Francis Crick segera menyadari apa maksudnya. Mereka berpendapat bahwa RNA mungkin berperan sebagai enzim protein selama asal mula kehidupan—memicu reaksi kimia serta membawa informasi. Orgel, pada akhir tahun 1960-an, dengan berani berspekulasi bahwa kehidupan awal di Bumi tidak melibatkan DNA atau protein, hanya RNA.

Bagaimana campuran unsur kimia yang kacau balau bisa tiba-tiba berubah menjadi kehidupan biologis?

Bahkan dengan reputasi Orgel yang sempurna, gagasan bahwa rangkaian RNA dapat menyimpan informasi dan mempercepat reaksi kimia (pada saat itu dianggap sebagai sesuatu yang hanya dapat dilakukan oleh enzim protein) sulit diterima. Namun para ilmuwan tidak punya pilihan ketika ahli biologi molekuler Sidney Altman dan ahli kimia Thomas Cech membuat penemuan menakjubkan (dan pemenang Hadiah Nobel) pada awal tahun 1980an bahwa RNA memang dapat bertindak sebagai enzim—dan berpotensi memulai replikasinya sendiri.

Ini memecahkan pertanyaan “mana yang lebih dulu, ayam atau telur?” teka-teki. Implikasinya sangat mencengangkan: Asal mula kehidupan mungkin berasal dari molekul RNA yang dapat mereplikasi dirinya sendiri.

Di manakah sisa protein dan DNA? Mereka bisa saja berevolusi di kemudian hari, dengan keuntungan karena mampu mengkatalisis reaksi dengan lebih efisien dan menyimpan informasi dengan lebih kuat. Konsep menggiurkan tentang masa yang lebih sederhana dalam sejarah kehidupan di Bumi, dengan RNA saja yang menjadi “ayam” dan “telur” dipopulerkan oleh ahli biokimia Walter Gilbert dalam slogannya yang ringkas “dunia RNA.” Molekul RNA, yang berada di dalam sel proto tidak begitu rumit dibandingkan sel yang kita temukan dalam kehidupan saat ini, bisa saja memainkan semua peran utama, baik sebagai pembawa informasi genetik maupun sebagai molekul fungsional.

Bahkan setelah munculnya gagasan cerdik tentang dunia RNA, memahami bagaimana sel proto primordial sederhana dapat tumbuh, bereplikasi, dan membelah memerlukan revolusi pemikiran. Lagi pula, sel-sel itu mungkin hanya terdiri dari membran sederhana, kemungkinan besar terdiri dari asam lemak, yang menampung potongan-potongan pendek RNA. Perbedaan utama antara sel-sel proto awal—pendahulu mikroorganisme yang kita lihat sekarang—dan sel-sel masa kini adalah bahwa sel-sel kita mempunyai perangkat protein yang tangguh di bagian dalam dan membrannya. Mesin ini memungkinkan dan mengontrol pengangkutan nutrisi dan air melintasi membran.

Inilah kesadaran penting yang harus dihadapi oleh para peneliti: Padahal sel-sel saat ini bergantung pada dirinya sendiri intern biokimia untuk melakukan tugasnya, sel proto di dunia RNA harus bergantung pada lingkungan sekitar untuk mendapatkan makanan—dan hal ini berfluktuasi. di luar sel proto primordial yang mendorong proses pertumbuhan dan pembelahan sel proto.

Asal usul kehidupan mungkin berasal dari asal mula molekul RNA yang dapat mereplikasi dirinya sendiri.

Ambil satu contoh dramatis: Apa yang terjadi jika sel proto memiliki batas yang berlapis-lapis? Ketika disuplai dengan molekul asam lemak tambahan, membran terluar akan membentuk tabung yang semakin tebal dan panjang, dan ketika membran berlapis tersebut bertukar bahan, seluruh sel proto menjadi filamen yang panjang, rapuh, dan berlapis-lapis. Ini membuat pembelahan sel menjadi mudah. Bahkan gaya geser yang lemah, seperti yang ditimbulkan oleh angin pada permukaan danau, dapat memecah filamen tersebut menjadi sel proto “anak”, sekaligus mempertahankan kandungan berharga (seperti RNA) di dalam keturunannya.

Apa yang terjadi di dunia miliaran tahun lalu yang memungkinkan munculnya sel proto pertama? Saat ini adalah saat yang paling menyenangkan untuk mencari jawaban atas pertanyaan ini. Sekarang sudah jelas bahwa untuk bisa memecahkan misteri ini—serta apakah asal usul kehidupan tidak bisa dihindari atau hanya sebuah kebetulan—para ilmuwan harus membayangkan bentang alam aneh apa di Bumi yang bisa melahirkan bahan-bahan penyusun RNA, yaitu protein. , dan membran sel.

Hal ini sudah terbukti membuahkan hasil. Pada tahun 2009, para peneliti mengidentifikasi cara dua dari empat nukleotida RNA terbentuk di masa awal Bumi. Mengingat fakta bahwa skenario saat ini adalah bahwa kehidupan di Bumi dimulai dengan RNA, ini berarti bahwa kita, dalam arti tertentu, sudah setengah jalan menuju kemajuan. Yang lebih menakjubkan lagi, para peneliti telah menunjukkan bahwa bahan kimia yang sama juga dapat menghasilkan 12 dari 20 asam amino—bahan penyusun protein—yang terdapat dalam semua bentuk kehidupan di Bumi. Dengan kata lain, kita sekarang memiliki setidaknya sebagian jalur yang masuk akal dari kimia ke biologi.

Kemajuan dalam kimia prebiotik ini, bersama dengan semakin berkembangnya pemahaman kita tentang lingkungan awal Bumi, dapat mendorong perkembangan kimiawi ini danau soda atau danau kawah tubrukan—membawa kita lebih dekat pada gambaran bagaimana kehidupan bisa muncul di permukaan planet kita yang baru terbentuk.

Gambar utama: Paolo Farinella / Shutterstock

• Mario Livio

  Diposting pada 15 Januari 2025

  Mario Livio adalah seorang astrofisikawan yang bekerja selama 24 tahun dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Buku terbarunya adalah Apakah Bumi Luar Biasa?: Pencarian Kehidupan Kosmikditulis bersama Jack Szostak.

• Jack Szostak

  Diposting pada 15 Januari 2025

  Jack Szostak adalah seorang ahli biokimia dan peraih Nobel dalam bidang Fisiologi atau Kedokteran. Buku terbarunya adalah Apakah Bumi Luar Biasa?: Pencarian Kehidupan Kosmikditulis bersama dengan Mario Livio.

Dapatkan buletin Nautilus

Ilmu pengetahuan mutakhir, diungkap oleh para pemikir paling cerdas yang masih hidup.