Temat:

Historia początków życia

Darwin miał dobrą intuicję. Pisząc list do swojego przyjaciela – botanika Josepha Hookera, wspomniał o „ciepłym bajorku”. W nim upatrywał początków życia. Wyobrażał sobie, jak dzięki działaniu czynników fizycznych z prostych cząsteczek nieorganicznych mogły powstać białka. Faktycznie większość badaczy wskazuje, że życie narodziło się w środowisku wodnym. W nim nie tylko białka, ale i inne cząsteczki organiczne ułożyły się w praorganizm – przodka wszystkich istot żywych, które znamy. Jak to się zaczęło? Konstrukcja pierwszych cząsteczek przebiegała w warunkach, kiedy atmosfera planety nie zawierała jeszcze tlenu. Jego obecność byłaby dla nich destrukcyjna. Dokładnej daty początku oczywiście nie sposób wskazać. Musiało to być mniej więcej 2,2 mld lat temu. Wtedy atmosfera miała jeszcze charakter redukcyjny. Wiemy też, że nie mogło być to później niż 4,3 mld lat wstecz. Wtedy to gazowa powłoka otaczająca planetę składała się głównie z wodoru i helu – pozostałości materii mgławicy słonecznej. Ta pierwotna atmosfera jednak szybko uleciała w przestrzeń kosmiczną ze względu na słabe pole grawitacyjne młodej Ziemi, szybszy ruch obrotowy i wysoką temperaturę, która wówczas panowała. Wskazany przedział to czas tak zwanej drugiej atmosfery Ziemi. Według teoretycznych rozważań rosyjskiego botanika Aleksandra Oparina miał być w niej obecny między innymi metan, amoniak, wodór i para wodna. Na skutek reakcji zainicjowanych przez czynniki fizyczne powstały bardziej złożone związki: aminokwasy, cukry, pirymidyny i puryny. Te dwie ostatnie klasy związków są głównymi elementami budującymi kwasy nukleinowe – RNA i DNA. Reakcje najprawdopodobniej zachodziły w powierzchniowych warstwach praoceanów. Wody do głębokości 10–15 metrów wydają się najbardziej optymalnym miejscem do takiego procesu. Z jednej strony dociera tu wystarczająca ilość koniecznej energii pochodzącej np. z wyładowań atmosferycznych, a z drugiej taka grubość tafli blokuje nadmiar promieniowania UV, które mogłoby uszkadzać tworzone cząsteczki. Inne hipotezy wskazują na bardziej ekstremalne środowiska. Być może kolebką życia były głębiny oceaniczne, gdzie potrzebną energię dostarczałyby np. wybuchające wulkany, albo wody znajdujące się pod Antarktydą. Z czego powstały cząsteczki organiczne? Odpowiedź na pytanie dotyczące tego, w jaki sposób powstały cząsteczki budujące pierwsze komórki, jest raczej probabilistyczna. Życie, które znamy, powstało tylko raz i nie jesteśmy w stanie powtórzyć całości tego procesu w laboratorium. Pewnych odpowiedzi dostarczają eksperymenty oparte o wiedzę z czasów tak odległych, że również i one obarczone są większą niepewnością. Jednym z doświadczeń był eksperyment przeprowadzony przez Stanleya Millera w 1953 roku. Wykonał go w oparciu o warunki zaproponowane m.in. przez wspomnianego wcześniej Aleksandra Oparina. Użył do tego aparatu złożonego z dwóch kolb połączonych rurkami. Pierwsza z nich imitowała atmosferę. Umieszczono w niej w metan, amoniak, wodę i wodór. Następnie ogrzewano tę mieszankę do 80°C, jednocześnie traktując napięciem rzędu 60 000 V. Skroplone produkty reakcji rozpuszczały się w drugiej z kolb imitującej praocean. Po zakończonym doświadczeniu znaleziono w niej substancje organiczne, takie jak aminokwasy (alanina, glicyna, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy), kwas mrówkowy, octowy, propionowy, mlekowy i bursztynowy. Późniejsze eksperymenty pokazały, że cukry, aminokwasy, puryny i pirymidyny mogą powstawać także z tlenku i dwutlenku węgla, azotu i wody. Według dzisiejszej, skorygowanej wiedzy na temat początków świata, taki skład miała właśnie druga atmosfera naszej planety. Po skorygowaniu wiedzy na temat związków, jakie mogły uczestniczyć w pierwszych reakcjach, pojawił się kolejny problem. Produktami reakcji były mieszaniny racemiczne. Oznacza to, że w eksperymentach powstawały równe ilości dwóch wersji cząsteczek, które mają się tak do siebie, jak swoje lustrzane odbicia. Takie cząsteczki różnie oddziałują ze światłem spolaryzowanym liniowo. W dużym uproszczeniu charakteryzuje się ono tym, że rozchodząc się w pewnym kierunku, drga tylko w jednej płaszczyźnie. Można go wydzielić np. ze światła słonecznego, które jest niespolaryzowane – drga w różne strony. W tym celu używa się specjalnego urządzenia optycznego zwanego polaryzatorem. Światło spolaryzowane liniowo w kontakcie z jednym albo drugim typem wspomnianych cząsteczek skręcało wspomnianą płaszczyznę w prawo albo w lewo. W przyrodzie aminokwasy budujące białka, a także cukry, zbudowane są tylko i wyłącznie z jednej formy. Pierwsze z nich zawsze są lewoskrętne, a drugie skręcają płaszczyznę światła w prawo. Odpowiedź na pytanie, jak to się stało, że nastąpiła selekcja jednej z form, być może znajduje się w kosmosie, a dokładnie w Mgławicy Oriona. Tam, w odległości 150 lat świetlnych od nas, znajduje się obszar zwany Chmurą Cząsteczkową Oriona. To miejsce powstawania gwiazd bogate jest w cząsteczki organiczne. Występuje tam jeszcze inny typ polaryzacji – kołowy. Naukowcy zauważyli, że jeśli mieszaninę racemiczną oświetlimy właśnie takim światłem, to cząsteczki znajdujące się w jego zasięgu przyjmują taką formę jak kierunek, w który się ono „kręci” – w lewo bądź w prawo. Być może nasz Układ Słoneczny kiedyś również był pod działaniem gwiazdy neutronowej, która emitowała takie promieniowanie. Później, mimo zmiany charakteru światła na niespolaryzowane, forma cząsteczek zadomowiła się na stałe. Łączenie cegiełek w dłuższe łańcuchy W następnym etapie cząsteczki musiały połączyć się w łańcuchy. W przypadku aminokwasów budowanie peptydów mogło odbywać się na gorących pyłach wulkanicznych. Te cząsteczki za sprawą deszczów lądowały w wodach praoceanu. Najprawdopodobniej cegiełki budujące organiczne cząsteczki nie łączyły się ze sobą tak po prostu. W środowisku wodnym wiązania między aminokwasami, zwane wiązaniami peptydowymi, są nietrwałe, podobnie jak np. wiązania glikozydowe, występujące w długich cząsteczkach cukrów. Dlatego musiał istnieć jeszcze jakiś czynnik, który pomagałby w ich łączeniu. Dziś taką rolę pełni ATP – adenozynotrójfosforan, który jest głównym nośnikiem energii w organizmie. W pierwotnych warunkach taką rolę mogły pełnić dicyjany, polimetafosforany czy cyjanoacetylen, które powstawały samorzutnie w tamtejszych warunkach. Być może tworzenie cukrów, peptydów czy nawet tłuszczów wspomagane było przez materiały ilaste, a dokładnie regularne kryształy kaolinitu czy montmorylonitu. Doświadczenia z ich udziałem pokazały, że ich obecność przyśpiesza syntezę takich związków nawet milion razy, w porównaniu z reakcją przebiegającą bez ich udziału. Z kolei cząsteczki będące składnikami kwasów nukleinowych mogły postawać na powierzchni kryształów pirytu (FeS2). Na nich być może wzrastały łańcuchy fosforanowe, które są zrębem cząsteczek kwasów nukleinowych. Do nich następnie mogły przyłączać się cząsteczki cukru rybozy, uzupełniając konstrukcje. Jak dochodziło do łączenia trzeciej części – zasad azotowych, nie jest jasne. Wiadomo jednak, że pewne z nich samorzutnie łączą się ze sobą, co mogło powodować łączenie dwu nici z sobą. Struktury komórkopodobne Powstałe cząsteczki organiczne musiały zostać oddzielone od środowiska błoną, która stanowiła nie tylko barierę chroniącą je przed środowiskiem, ale umożliwiała wybranym związkom chemicznym wejście do środka. Ich podstawą, zapewne jak teraz, były cząsteczki fosfolipidów. Molekuły te zbudowane są z dwóch części. Jedna, zwana głową, lubi wodę. Po drugiej stronie jest „ogon” zbudowany z kwasów tłuszczowych, który od niej stroni. W roztworach wodnych cząsteczki takie mogą tworzyć spontanicznie formy dwuwarstwowe, które przypominają naturalne błony biologiczne. Przed milionami lat źródłem potrzebnych elementów do ich zbudowania mógł być kwas palmitylowy, od którego wywodzi się wiele kwasów tłuszczowych. Jak doszło do składania struktur, które zaczynały przypominać prakomórki, nie jest łatwo stwierdzić. Znane są dwie główne hipotezy. Pierwsza – białkowa, zakłada, że właśnie wokół takich cząsteczek, które już wykazywały zdolności przeprowadzania pewnych reakcji, powstała półprzepuszczalna błona. Stworzone struktury, dzięki obecności wspomnianych molekuł, prezentowały jakiś pierwotny metabolizm. Z aminokwasów, które przenikały przez błonę ze środowiska zewnętrznego, tworzyły się kolejne molekuły. Powiększające się twory mogły być rozbijane falami bądź siłą wiatru. Te, w których pozostawał komplet potrzebnych składników, rosły dalej. Jednak nawet po wytworzeniu funkcjonalnych cząsteczek i one w końcu umierały. Ze względu na brak genów najlepsze rozwiązania nie mogły być przekazywane następnym pokoleniom. W którymś momencie musiało nastąpić przekazanie informacji na pierwotne kwasy nukleinowe. Czy było to DNA, czy RNA, nie jest rzeczą do końca jasną. Być może była to hybryda obu cząsteczek. Nie jest to bardzo istotne. Ważne, że czteroliterowy kod kwasów nukleinowych daje wiele możliwości. Przyjmując, że prosty gen składa się z 1000 takich liter, mamy zatem 41000 możliwych sekwencji. Według drugiej hipotezy, pierwsze komórkopodobne struktury opierały się o RNA. Cząsteczki wykonywały pierwsze zadania prymitywnego metabolizmu. W działaniach wspierały je materiały ilaste zdolne do przyśpieszania reakcji. Być może samopowielające się cząsteczki RNA mutowały i dzięki temu uzyskiwały nowe funkcje, które również pomogły im lepiej dostosować się do określonych warunków. W końcu nauczyły się tworzyć białka, które jako bardziej wydajne katalizatory powoli przejmowały ich funkcje. Później doszło do przepisania RNA na cząsteczkę DNA przez specjalny enzym zwany replikazą. „Nowy” kwas nukleinowy w odróżnieniu od „starego” jest mniej podatny na mutacje, nawet gdy jest długą cząsteczką. Dzięki swojej stabilności powoli przejmował funkcje genetyczne. Wtedy RNA stało się pewnym mostem łączącym DNA i białka, tak jak ma to miejsce teraz w przypadku matrycowego RNA (mRNA). Niezależnie którą hipotezę przyjmiemy jako prawidłową, dojdziemy do momentu, w którym powstało wiele rodzajów prakomórek. Jedną z nich nazywamy LUCA. Akronim pochodzi od anglojęzycznego skrótu, który oznacza ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka. Najprawdopodobniej był on termo- bądź mezofilem, czyli lubił ciepłe środowiska. Być może zawierał tyle genów, ile współczesne organizmy prokariotyczne. Od niego pochodzą bakterie, grzyby, rośliny oraz inne organizmy żywe, łącznie z gatunkiem ludzkim. Za jego istnieniem przemawia udział podobnych cząsteczek, identycznych rozwiązań napędzających procesy życiowe w organizmach. Mimo że nie dowiemy się pewnie nigdy, jak wyglądał, jednego możemy być pewni. Z całej gromady komórek właśnie on był najlepiej dostosowany do ówczesnych warunków, dlatego właśnie on, a nie inne, dał początek drzewu życia, na którego czele jesteśmy my. Może życie powstało gdzie indziej? Nie sposób pominąć pewnej ciekawej koncepcji, która mówi, że życie mogło powstać poza naszą planetą. Nazywamy ją hipotezą panspermii. Szukanie źródła życia w kosmosie wynika z pewnej nieścisłości. Organizmy żywe zbudowane są głównie z węgla, wodoru, tlenu oraz azotu. Ten skład nie odzwierciedla proporcji oraz obecności najbardziej popularnych w skorupie ziemskiej: tlenu, glinu, krzemu oraz sodu. Przypomina natomiast ten, który spotykamy w Układzie Słonecznym. Tutaj najwięcej jest wodoru, a tlen, węgiel i azot zajmują odpowiednio trzecią, czwartą i piątą pozycję. Czy zatem życie mogło powstać na innej planecie i zostać zaszczepione np. podczas upadku meteorytu? Prawdopodobieństwo nigdy nie jest zerowe. Taka koncepcja nieco odżyła w ostatnim czasie, ponieważ jedna z grup badawczych ogłosiła znalezienie pierwszego pozaziemskiego białka. Zbudowaną głownie z glicyny cząsteczkę połączoną z litem, żelazem oraz tlenem znaleziono we wnętrzu meteorytu Acfer 086, który spadł około 30 lat temu w Algierii. Według naukowców molekuła mogła powstać w strukturze pyłu i gazów, którą nazywa się dyskiem protosłonecznym, czyli bardzo wcześnie, zanim uformowały się planety naszego Układu Słonecznego. Póki co artykuł został opublikowany w bazie preprintów arXiv, co oznacza, że nie przeszedł weryfikacji naukowej. Zbytni optymizm powinien hamować również fakt, że takie białko, o ile nim faktycznie jest, mogło powstać w procesie niezależnym od życia. Świadomość takiej wersji wydarzeń mają sami autorzy pracy. Oczywiście cały czas przeważa ziemska koncepcja stworzenia życia. Nieodzwierciedlający proporcji oraz budowy skorupy ziemskiej skład pierwiastkowy cząsteczek organicznych sugeruje, że muszą one mieć szczególne właściwości. Faktycznie, atomy węgla mogą tworzyć połączenia nawet z czterema innymi atomami, tworząc różnorakie szkielety, które związane są silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Te z kolei mogą wiązać do siebie grupy atomów, tzw. grupy funkcyjne, które determinują różne charaktery cząsteczek. Tworzone z nich cegiełki są wielofunkcjonalne. W przypadku aminokwasów, budują one nie tylko białka, ale także są prekursorami hormonów. Z kolei mononukleotydy nie tylko budują kwasy nukleinowe, ale też pełnią rolę przenośników energii. Dlatego wydaje się, że ich wysegregowanie jest najlepszym wyborem ewolucyjnym. Historia naszej świadomości Wraz z powstawaniem pierwszych organizmów pojawiły się również zachowania, które pomagały im przetrwać. Dzięki nim unikały one niebezpieczeństw, zabiegały o składniki pokarmowe czy rozmnażały się, dając kolejne pokolenia. Życie ewoluowało tworząc coraz bardziej skomplikowane zależności między budującymi je komórkami. Powstawały układy, łącznie z nerwowym. Ulepszyło to zdolność przeżycia organizmów, poprawiając ich komunikację z otoczeniem. W końcu pojawiła się świadomość. Jaka jest jej historia, możesz przeczytać w książce Historia naszej świadomości. Autor rozwija w niej wizję tego, w jaki sposób staliśmy się tym, kim jesteśmy obecnie.

®© GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA