Najpierw było jajko, nie kura! Zbliżyliśmy się do poznania tajemnicy narodzin życia na Ziemi.rtf

Najpierw było jajko, nie kura! Zbliżyliśmy się do poznania tajemnicy narodzin życia na Ziemi

Michał Rolecki

Tak najkrócej można streścić najnowsze odkrycie amerykańskich badaczy, którzy badają jedną z największych zagadek współczesnej nauki.

W 1953 r. Stanley L. Miller i Harold C. Urey poddali mieszaninę wody, metanu, amoniaku i wodoru - czyli związków chemicznych obecnych przed miliardami lat w atmosferze Ziemi - działaniu wyładowań elektrycznych, co miało symulować uderzenia piorunów. Odkryli, że w ten sposób mogły powstać podstawowe aminokwasy, które są budulcem niezbędnych do życia kwasów nukleinowych i białek.

Późniejsze badania wykazały, że w pierwotnej atmosferze ziemskiej mógł się pojawić w zasadzie każdy aminokwas. A one mogą ze sobą się łączyć w dłuższe łańcuchy - na przykład kwasu rybonukleinowego (RNA). Ten z kolei ma szczególną właściwość - potrafi się powielać.

Czy wirusy są żywe?

Zdolność do samopowielania to jedna z właściwości, jakie przypisujemy życiu. Wszystkie organizmy żywe, które znamy, posiadają zdolność rozmnażania się - czy to w drodze podziału, czy rozmnażania płciowego. Ale jest jeszcze jedna cecha, którą ma wszystko, co żyje. Cechy tej są pozbawione wirusy, które - choć się powielają - nie przez wszystkich są uważane za organizmy żywe. Brak im bowiem metabolizmu - tj. nie przetwarzają związków chemicznych i nie pobierają z nich energii. Potrafią jedynie wniknąć do żywej komórki, która taką przemianę materii posiada, przejąć ją i wykorzystać do tworzenia własnych kopii.

Zatem do uznania czegoś za żywe potrzeba, według większości naukowców, nie tylko możliwości powielania się (czyli replikacji), ale i przemiany materii (czyli metabolizmu) - łańcucha reakcji chemicznych, w wyniku których organizm pozyskuje energię. W środowisku biologów i biochemików od dawna trwał spór, co pojawiło się pierwsze: zdolność do replikacji czy metabolizm. Ponieważ obydwa zjawiska są potrzebne do życia, przypomina to trochę spór o to, czy pierwsze było jajko, czy kura.

Zwolennicy hipotezy, że najpierw pojawiła się zdolność do replikacji, argumentują, że niektóre cząsteczki RNA, zwane rybozymami, są w stanie katalizować, czyli ułatwiać reakcje biochemiczne. Według tej wersji ze związków, których było pod dostatkiem na Ziemi przed miliardami lat, powstawały i aminokwasy, i nukleotydy, które z czasem łączyły się w łańcuchy RNA, czyli związki chemiczne zdolne do samopowielania. Potem RNA zaczęło się łączyć w większe cząsteczki rybozymów, które umożliwiły zachodzenie coraz bardziej złożonych reakcji chemicznych, czyli pojawił się metabolizm

Są jednak też zwolennicy hipotezy, że metabolizm musiał pojawić się pierwszy, zanim pojawiły się zdolne do samopowielania replikatory. Stoją oni na stanowisku, że miliardy lat temu nie tylko pojawiły się aminokwasy, ale i tworzyło się wiele innych związków. Powstawały w reakcjach chemicznych, które czerpały energię z otoczenia. Reakcje chemiczne stawały się coraz bardziej złożone i coraz bardziej zależne jedna od drugiej, co można by uznać za rodzaj metabolizmu. Dopiero z czasem coraz bardziej skomplikowane reakcje metaboliczne doprowadziły do powstania również takich związków, które mogły się same powielać, na przykład RNA.

Sceptycy upierają się jednak, że to niemożliwe, aby tak złożone reakcje chemiczne, jakie mają miejsce w żywych komórkach, mogły spontanicznie powstawać w środowisku.

Zatem co było pierwsze - jajo czy kura?

Czy pierwszy był metabolizm, czy replikatory? Ostatnie odkrycie naukowców z Uniwersytetu Cambridge rzuca światło na to pytanie. Badacze postanowili dodać pochodne cukrów (fosforylowane pochodne cukrów, które występują w żywych komórkach) do mieszaniny związków chemicznych, odpowiadających składowi oceanów sprzed miliardów lat, po czym podgrzewali mieszaninę do temperatury między 50 a 90 stopni C. Takie temperatury były zdaniem naukowców powszechne przed miliardami lat, występują w oceanach także i dziś - w pobliżu kominów hydrotermalnych.

Po pięciu godzinach podgrzewania takiej mieszaniny naukowcy odkryli w roztworze ślady aż 29 różnych reakcji chemicznych, które wchodzą w skład glikolizy i szlaku pentozofosforanowego, czyli reakcji chemicznych stanowiących podstawę przemiany materii każdej komórki na Ziemi. Te kluczowe dla życia komórek zarówno roślin, jak i zwierząt reakcje zachodzą w żywych organizmach pod wpływem złożonych białkowych enzymów. Eksperyment wykazał jednak, że rolę enzymów mogą pełnić jony metali: żelaza, kobaltu i niklu, których w pierwotnym oceanie było pod dostatkiem.

Szczególnie istotne było odkrycie, że w wyniku eksperymentu powstał także rybozo-5-fosforan, niezbędny do syntezy RNA. Wielce prawdopodobne jest zatem, że w praoceanie zachodziło coś na kształt pierwotnego metabolizmu, a dopiero on przyczynił się do powstania RNA. To sprawia, że bardziej prawdopodobna jest kolejność: najpierw metabolizm, potem związki zdolne do replikacji. To pierwszy eksperyment, który pokazuje, że można stworzyć szlaki metaboliczne bez obecności RNA - twierdzą badacze.

Życie, życie wszędzie!

Jednak na decydujące rozstrzygnięcie trzeba będzie poczekać. Jest to pierwszy eksperyment, który wykazał, że w pierwotnych oceanach mogły zachodzić aż tak bardzo złożone reakcje chemiczne, będące podstawą metabolizmu wszystkich istot żywych. Jeśli uda się takie wyniki powtórzyć oraz - co zauważają krytycy - wskazać, w jaki sposób w pierwotnym oceanie mogło dojść do powstawania fosforylowanych pochodnych cukrów, użytych w eksperymencie, dopiero wtedy zbliżymy się do odpowiedzi na pytanie, jak powstało życie na Ziemi.

Znamy tylko jedną planetę, na której istnieje życie. Jeśli reakcje podobne do tych, które zachodzą we wszystkich organizmach żywych, także zachodzą w wodzie, w której rozpuszczone są odpowiednie związki chemiczne, to być może powstanie życia nie jest wcale tak wyjątkowym faktem, jak nam się czasem wydaje. Pojawia się na każdej planecie, na której są ku temu odpowiednie warunki.

Odkrycie badaczy z Cambridge sprawia, że łatwiej wyobrazić sobie nie tylko powstanie życia na Ziemi, ale i w wielu innych układach gwiezdnych we Wszechświecie.

Wyniki badań ukazały się w Molecular Systems Biology.