Jak powstało życie

Skąd się biorą dzieci, czyli życie ludzkie – wiadomo na pewno. Ale skąd się wzięło życie w ogóle – tego na pewno nie wiadomo, a naukowcy w tej dziedzinie do tej pory nie zdołali wyjść poza stadium hipotez.

Aktualizacja: 07.08.2016 20:31 Publikacja: 07.08.2016 00:01

W pobliżu kominów hydrotermalnych na dnie oceanów roi się od prymitywnych organizmów

Foto: Wikipedia

Krzysztof Kowalski

Biblijna Księga Rodzaju jest w tej materii kategoryczna: „Bóg rzekł: »Niechaj zbiorą się wody spod nieba w jedno miejsce i niech się ukaże powierzchnia sucha!« A gdy tak się stało, Bóg nazwał tę suchą powierzchnię ziemią, a zbiorowisko wód nazwał morzem. Bóg widząc, że były dobre, rzekł: »Niechaj ziemia wyda rośliny zielone«". To się wydarzyło trzeciego dnia stworzenia. Czwartego dnia Pan nie próżnował, ale życiem bezpośrednio się nie zajmował. Dopiero piątego dnia „Bóg rzekł: »Niechaj się zaroją wody od roju istot żywych, a ptactwo niechaj lata nad ziemią, pod sklepieniem nieba!«". I dopiero w szóstym dniu stworzenia Bóg rzekł: „Niechaj ziemia wyda istoty żywe różnego rodzaju: bydło, zwierzęta pełzające i dzikie zwierzęta według ich rodzajów!". A na koniec rzekł: „Uczyńmy człowieka na Nasz obraz, podobnego Nam".

Miliony ludzi na świecie wierzą w kreację wszechświata i życia, choć już nie biorą dosłownie aktu stworzenia odbywającego się w rytmie tygodniowym. Zresztą jeśli nawet naukowcy odrzucają kreacjonizm w imię racjonalizmu (a w ślad za nimi tak samo postępują wyznawcy światopoglądu naukowego, czyli nie wierzą w to, w co wierzą inni), to trzeba w tym miejscu dobitnie przypomnieć, że nazywając kreacjonizm hipotezą, sami nie odkryli tajemnicy stworzenia, nie znaleźli dowodów, a wszystko, co na ten temat mówią, wszystkie ich dywagacje – paradoksalnie – też są hipotezami.

Najnowszą wysunęli badacze niemieccy, a raczej nie tyle wysunęli, ile wzmocnili wysuniętą już wcześniej. Żeby zrozumieć, o co chodzi, należy zacząć od pieca. Fizycy mieli swój bozon Higgsa, hipotetyczną cząstkę elementarną, której istnienie udowodniono dopiero dwa lata temu. Biolodzy mają jej odpowiednik, LUCA (ang. last universal common ancestor – ostatni uniwersalny wspólny przodek).

LUCA to hipotetyczny organizm, który był, a ściślej mówiąc, powinien być, ostatnim wspólnym przodkiem wszystkich żyjących obecnie na Ziemi organizmów, należących do domeny bakterii, archeanów i eukariontów. Pogląd o istnieniu organizmu, który dał początek wszystkim występującym obecnie, jest szeroko rozpowszechniony wśród biologów. Hipoteza zakładająca istnienie uniwersalnego wspólnego przodka wszystkich organizmów jest podstawą współczesnej teorii ewolucji. Została przedstawiona przez Karola Darwina w dziele „O powstawaniu gatunków". Dotychczas nie udało się empirycznie rozstrzygnąć, czy życie na Ziemi jest całkowicie monofiletyczne, to znaczy jeden gatunek dał początek wszystkim, czy też, jak sugerują niektórzy naukowcy, na wczesnym etapie rozwoju życia poziomy transfer genów był na tyle powszechny, że monofiletyzm życia nie jest możliwy.

Niezależnie od tego, czy LUCA był jednym gatunkiem czy współpracującą ze sobą grupą organizmów, jego hipotetyczne istnienie datowane jest na 3,5–3,8 mld lat temu. Najbardziej podstawowy podział na trzy domeny wywodzące się od wspólnego przodka – bakterie, archeany, eukarionty – zaproponowali Fox i Woese w roku 1977. Badacze przypuszczają, że genom LUCA musiał zawierać co najmniej 500–1000 genów. Jednak założenie, że hipotetyczny genom przodka wszystkich domen powinien być mały i zbliżony do prostych organizmów pasożytniczych, nie było dotychczas poparte dowodami.

W tym miejscu do dyskusji włączają się badacze niemieccy z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie. Zespołem kieruje dr Bill Martin, a wiadomość o tym zamieszcza specjalistyczne pismo „Nature Microbiology". Niemieccy naukowcy zbadali związki pokrewieństwa (drzewo filogenetyczne) około 2 tysięcy bakterii i archeanów. Podczas tej pracy analizowali 286 tys. grup białek kodowanych genami, aby ustalić, które spośród nich mogą się wywodzić z epoki, w której egzystował LUCA, czyli od niego. Wyodrębnili 355 takich genów.

Aby nie utonąć w szczegółach (ten przywilej należy do badaczy), powiedzmy od razy, że zespół dr. Billa Martina jest zdania, iż LUCA wcale nie jest przodkiem wszystkich organizmów, lecz jedynie archeowców – komórek bez jądra i organelli (struktury wyspecjalizowane obecne w komórce), oraz bakterii. Ich wyodrębnienie się z linii LUCA miało miejsce około 3,5 mld lat temu. Minęły jeszcze 2 mld lat i dopiero wtedy pojawiły się eukarionty – komórki bardziej złożone, z których wywodzą się wszystkie rośliny, grzyby i inne zwierzęta na naszej planecie.

Co do samego LUCA, zdaniem badaczy z Düsseldrofu, żył w wyjątkowo trudnych warunkach, w gorącym środowisku sięgającym kilkuset stopni, żywił się azotem, dwutlenkiem węgla, zaś tlenu „nie cierpiał".

Gdzie mogły wtedy istnieć takie warunki? W źródłach hydrotermalnych, zwanych także kominami hydrotermalnymi, takich, jakie do dziś znajdują się w oceanicznych głębinach. 3,5 mld lat temu warunki na Ziemi były diametralnie odmienne od obecnych, planeta była gorąca, oceany wyparowały pod wpływem wielkiego bombardowania kometami i asteroidami, jakie miało miejsce nieco wcześniej, 3,8 do 4 mld lat temu. Mając to na uwadze, naukowcy z Uniwersytetu w Düsseldorfie są przekonani, że LUCA mógł istnieć, trwać w gorących wodach w skorupie ziemskiej.

Matka ziemia

Geneza życia nie dawała spokoju światłym umysłom i bystrym obserwatorom w zasadzie od zawsze. Począwszy od jaskiniowców z epoki lodowej, oddawano tę sprawę w ręce bogów. Dopiero starożytny racjonalizm grecki i rzymski wystąpił z oryginalną hipotezą na ten temat. Arystoteles mówił o „samorództwie". Dzieło „O naturze wszechrzeczy" rzymskiego myśliciela Titusa Lucretiusa Carusa (przekład E. Szymańskiego) nie figuruje w spisie lektur szkolnych, a szkoda:

„Jak najpierw puch i włosy rosną

w młodzieńczym czasie

Na członkach czworonogów i ciałach

rzeszy ptasiej –

Tak młoda ziemia zrodziła najpierw

wszelaką roślinność.

Potem się z różnych racji na różne

sposoby rozwinął

Rozmaity rodzaj zwierzyny.

Ani bowiem

Z nieba nie mogły zlecieć zwierzęta

już gotowe,

Ani się nie mógł zrodzić ród ziemski

w mórz głębinie.

Widać więc, że należne jest ziemi matki

imię.

(...)

Pola stały w upale i w ciągłych

wilgotnych oparach –

Gdzie więc miejsce dogodne zdarzyło

się, tam zaraz

Rosły macice, z ziemią korzeniem

połączone".

Po upływie dwóch tysiącleci naukowcy, naturaliści, nie mogli już akceptować wizji matki ziemi, ale też w gruncie rzeczy nie mogli tej wizji przeciwstawić niczego innego, w dodatku sensownego. Dlatego w XIX wieku zaczął się rozpowszechniać pogląd o tajemniczej vis vitalis, sile życiowej, mającej odróżniać organizmy żywe od martwej materii. Wyłącznie dzięki niej miały powstawać wszystkie organiczne związki chemiczne. Dopiero w 1828 roku Friedrich Wöhler dokonał pierwszej sztucznej syntezy substancji organicznej – mocznika. Dziś chemicy syntetyzują tysiące związków organicznych, ale mimo niezliczonych prób nikomu nie udało się doprowadzić do powstania życia drogą syntezy chemicznej.

Może to dziwne, ale Charles Darwin w dziele „O powstawaniu gatunków" unika tematu pochodzenia życia. Jedynie w prywatnych listach wyrażał przekonanie, że życie mogło powstać w efekcie naturalnych reakcji chemicznych. W liście do Josepha Daltona Hookera z 1871 roku napisał o życiu, które powstało „w małej, ciepłej, błotnistej kałuży na wczesnej Ziemi, w warunkach dziś już niewystępujących". To sformułowanie dało początek współczesnym hipotezom dotyczącym powstania życia.

Biochemik Aleksandr Iwanowicz Oparin (zmarł w 1980 roku w Moskwie) twierdził, że komórki wywodzą się z samoistnie formujących się koloidowych skupisk materii organicznej, tzw. koacerwatów. Uważał, że życie ewoluowało w trzech etapach: ewolucja chemiczna, czyli powstawanie pod wpływem wyładowań elektrycznych prostych związków organicznych, np. aminokwasów, z dostępnych w atmosferze prostych związków nieorganicznych; ewolucja molekularna – powstawanie układów nadcząsteczkowych, np. koacerwatów; ewolucja biologiczna – powstawanie pierwszych organizmów zdolnych do reprodukcji opartej na własnej informacji genetycznej.

Teoria Oparina ma już dziś tylko historyczne znaczenie, jednak pozostanie w encyklopediach na zawsze, ponieważ jest to pierwsza próba wyjaśnienia genezy życia w sposób naukowy, bez odwoływania się do mitologii, matki ziemi, vis vitalis.

W 1953 roku Stanley L. Miller i Harold C. Urey z Chicago University, opierając się na teorii Oparina oraz podobnej J. B. S. Haldane'a, przeprowadzili historyczny eksperyment.

W układzie dwóch sterylnych kolb dolna, wypełniona parującą wodą, symulowała praocean, natomiast górna, zawierająca gazową mieszaninę wody, wodoru, związków azotu i węgla, w zamyśle eksperymentatorów imitowała skład pierwotnej atmosfery. Tę mieszaninę gazów poddali działaniu łuku elektrycznego udającego naturalne wyładowania atmosferyczne. Okazało się, że w ten sposób uzyskali między innymi aminokwasy, pirymidyny, puryny oraz rybozę. Ten słynny eksperyment wykazał, że w sposób spontaniczny mogłyby powstawać tak zwane cegiełki życia. Ale od cegiełek do samego życia jeszcze daleko. Wielu badaczy żonglowało nimi w następnych dekadach, jak dotychczas bez skutku.

Wyjątkowo ciekawy eksperyment przeprowadzili dwa lata temu badacze czescy. Potężny laser „strzelający" w płynną mieszaninę substancji chemicznych zapoczątkował reakcję, której efektem końcowym było pojawienie się „cegiełek życia" – nukleotydów tworzących RNA i DNA. Zdaniem Svatopluka Civisa z Czeskiej Akademii Nauk, którego zespół wykonał ten eksperyment, tak mogły wyglądać początki życia. Laser uderzający w formamid (naukowcy uważają, że właśnie ta substancja obecna była na Ziemi 4 mld lat temu) udawał efekty uderzenia meteorytów w powierzchnię planety. Impulsy lasera podgrzały „zupę" do ponad 4 tys. stopni i wywołały emisję promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletu. To spowodowało powstanie rodników wiążących się z wodorem. Po laserowym strzale naukowcy odkryli obecność adeniny, uracylu, cytozyny i guaniny – tworzących łańcuchy RNA. Trzy spośród tych czterech obecne są również w DNA. To odkrycie pokazuje, że pojawienie się życia na Ziemi nie musiało być czystym przypadkiem, lecz mogło być bezpośrednią konsekwencją warunków panujących na młodej Ziemi.

Rodem z kosmosu

Mogło... mogło... ale czy było? Jak było naprawdę?

Alternatywą dla hipotez zakładających powstanie życia na Ziemi z materii nieożywionej jest koncepcja panspermii. Opiera się na przekonaniu, że „życie pochodzi z życia" rozpowszechnionego we wszechświecie. Koncepcja kosmicznego pochodzenia życia jest obecna już w starożytnych tekstach wedyjskich i buddyjskich, została rozwinięta przez greckiego filozofa Anaksagorasa 500 lat p.n.e. Współcześnie Svante Arrhenius wystąpił z teorią panspermii, popierali ją tej miary naukowcy co Neil deGrasse Tyson, Francis Crick czy Fred Hoyle. Według tej hipotezy „zarodki życia" dotarły na Ziemię z kosmosu za pośrednictwem meteorytów, komet lub niesione ciśnieniem promieniowania kosmicznego.

Francis Crick, brytyjski genetyk i biochemik uhonorowany Nagrodą Nobla za odkrycie podwójnej spirali DNA, uznał, że ziemskie organizmy są zbyt skomplikowane, by mogły powstać przypadkowo. Według niego życie narodziło się w wyniku „kierowanej panspermii" – intencjonalnego zasiania go na młodej planecie przez przedstawicieli cywilizacji pozaziemskiej. Zdaniem Cricka stopień skomplikowania i zróżnicowania ziemskiego życia wskazuje, że mogło ono powstać jedynie w wyniku prawdziwego „cudu" albo zostało umyślnie zasiane w „pierwotnej zupie" przez przedstawicieli obcej cywilizacji.

Niestety, koncepcja panspermii nie wyjaśnia powstania życia, jedynie przenosi problem na inną planetę czy też na inny obiekt kosmiczny.

Nauka tylko z pozoru i tylko w części jest dziedziną, w której logika gra pierwsze skrzypce. Astrobiologia zajmuje się zagadnieniem, czy życie istnieje na innych planetach niż Ziemia. A więc są badacze zjawiska, którego nie ma – na razie albo w ogóle. Podejmują próby znalezienia życia w Układzie Słonecznym już od czasu misji Viking w 1976 roku. Otóż ci właśnie astrobiolodzy jako potencjalne miejsca jego występowania wytypowali Mars oraz księżyc Jowisza – Europę. Ale prowadzone dotychczas badania tych obiektów nie pozwoliły na stwierdzenie tam śladów metabolizmu mikrobiologicznego, czyli życia.

Uczeni mają skłonność do poszukiwania życia, wpatrując się w niebo. Dowiedli zgodnie z wszelkimi regułami metodologii naukowej, że w okresie dziejów Ziemi zwanym hadeikiem, od 4,5 do 3,8 mld lat temu, olbrzymie bryły skał księżycowych, asteroidy i meteoryty uderzały z impetem w naszą planetę. Śladami po tych wydarzeniach były kratery wybite w stygnącej skorupie ziemskiej. Według powszechnie podzielanego przez naukowców poglądu to bombardowanie zniszczyło prymitywne formy życia. Jednak Oleg Abramov i Stephen Mojzsis z Uniwersytetu Kolorado w Boulder uważają, że bombardowanie nie tylko nie doprowadziło do zagłady życia, ale wręcz przyczyniło się do gwałtownego rozwoju organizmów. Powodowało odgrzewanie skorupy ziemskiej i wyparowywanie niedawno powstałych oceanów. Co więcej, wulkany wydzielały gazy do atmosfery, tworząc gęste chmury. Atmosfera zawierała amoniak, metan, parę wodną, dwutlenek węgla i azot. Ślady tego wczesnego bombardowania zostały już zatarte, dlatego naukowcy wykorzystali próbki księżycowego gruntu zebrane w ramach programu Apollo oraz dane z misji na Marsa i Merkurego, na podstawie których stworzyli model kataklizmu.

Wprawdzie z modelu wynika, że 25 proc. skorupy ziemskiej zostało stopione podczas tego wielkiego bombardowania, ale nawet tak gwałtowne zjawiska nie zniszczyły życia na Ziemi, bowiem w ślad za bombardowaniem powstały kominy hydrotermalne. Tam do dziś egzystują prymitywne organizmy. Ilość takich organizmów gwałtownie wzrosła pod wpływem uderzeń meteorytów w powierzchnię Ziemi. Obecnie organizmy w kominach termalnych żyją w temperaturze od 80 do 110 st. C, odkryte w Parku Narodowym Yellowstone znoszą temperaturę 121 st. C.

O, znowu praojciec

A więc wróciliśmy do praprzodka LUCA, który, przypomnijmy – według badaczy z Uniwersytetu w Düsseldorfie – żył w wyjątkowo trudnych warunkach, w gorącym środowisku sięgającym kilkuset stopni, żywił się azotem, dwutlenkiem węgla, a samego tlenu „nie cierpiał".

Według teorii opublikowanej w 2012 roku na łamach amerykańskiego pisma „Proceedings of the National Academy of Sciences" pierwotne kominy hydrotermalne na dnie oceanu pozostawiły głębinowe otwory, które były źródłem życiodajnych reakcji chemicznych. W okresie, gdy powstawały pierwsze organizmy, kwasowy ocean wypełniony był protonami, a z kominów hydrotermalnych wydostawał się gorzki zasadowy płyn, bogaty w jony wodorotlenkowe o ujemnym ładunku. Kominy utworzyły wyżłobienia w skałach na dnie, których ściany pokryły maleńkie pory bogate w żelazo i siarkę. Otwory te odseparowały gorącą wodę z kominów od zimniejszej, kwasowej wody morskiej. Granica między nimi zadziałała jak bateria napędzająca chemiczną transformację dwutlenku węgla i wodoru w białka i aminokwasy. Możliwe, że doprowadziło to do utworzenia błon komórkowych, białek złożonych oraz kwasu rybonukleinowego (RNA), molekuły podobnej do DNA.

Na tym etapie prymitywne komórki wykorzystały cienkie ściany kominów hydrotermalnych do stworzenia nowych molekuł na bazie węgla, które z kolei były prekursorami bardziej złożonych organizmów.

Bardzo to skomplikowane. Jak było naprawdę z powstaniem życia – być może nigdy się nie dowiemy. Ale w tym miejscu warto przytoczyć opinię Alberta Einsteina: „Ważne jest, by nigdy nie przestać pytać. Ciekawość nie istnieje bez przyczyny. Wystarczy, jeśli spróbujemy zrozumieć choć trochę tej tajemnicy każdego dnia. Nigdy nie trać świętej ciekawości. Kto nie potrafi pytać, nie potrafi żyć". A poza tym Einstein wyrażał przekonanie, że „życie niemal na pewno ma sens".