Dwaj biolodzy, ojciec i syn, noszący to samo imię i nazwisko, specjalnie dla naszych Czytelników prezentują najciekawsze hipotezy powstania życia na Ziemi.
Ponad 4,5 mld lat temu na peryferiach Drogi Mlecznej krążący wokół niewielkiej gwiazdy obłok molekuł zgęstniał w okruchy materii, maleńkie w obliczu ogromu gwiazd. Wkrótce jeden z tych okruchów zaczął zachowywać się dziwnie: nad jego powierzchnią pojawiła się atmosfera, a na powierzchni woda, w niej zaś skomplikowane związki chemiczne. Wreszcie, oprócz błękitu wody i bieli chmur, planetę ozdobił nietypowy kolor – zieleń, a otulająca glob cieniutka atmosfera nasyciła się trującym gazem: tlenem.
To skutki tego, że na Ziemi rozwinęło się życie. Skąd się wzięło? Cofnijmy się w czasie aż do samych początków. Oto kronika rodzinna wszystkich istot żywych.
Korzenie drzewa rodowego
W notatkach Karola Darwina znajduje się odręczny szkic przedstawiający schemat pokrewieństw wszystkich żyjących organizmów: „drzewo życia” na wzór „drzewa rodowego”. Rzecz ciekawa, sam Darwin bynajmniej nie spekulował na temat początków życia i prawie o tym nie pisał: uważał, że nigdy nie dowiemy się, jak powstało życie, interesowało go jednak, w jaki sposób rozwinęło się ono z prostszych form w miliony gatunków, w tym człowieka. Darwin nie był pierwszym, któremu przyszło do głowy, że wszystkie gatunki pochodzą od jednego wspólnego przodka. Ten sam pomysł miał już w XVIII w. Georges-Louis Leclerc, lepiej znany jako Buffon, a po nim wielu innych. Dowodów na to naprawdę dostarczyła dopiero nowoczesna genetyka w drugiej połowie XX w.
Wszystkie żywe organizmy – od bakterii po człowieka – mają geny, zapisane na długich niciach substancji chemicznej znanej wszystkim pod trzyliterowym skrótem DNA. Od kilkudziesięciu lat potrafimy odczytać tekst zapisany w DNA (co innego zrozumieć to, co przeczytaliśmy; z tym ciągle jeszcze mamy kłopoty). Okazuje się, że geny opowiadają o naszej przeszłości, wskazują na istnienie wspólnego przodka ludzi i innych małp naczelnych; gdy cofniemy się w czasie jeszcze bardziej, odnajdziemy w genach protoplastę wszystkich ssaków; dalej – przodka wszystkich kręgowców; jeszcze wcześniej – eukariontów, czyli wielo- i jednokomórkowych istot (w tym roślin) o złożonej budowie komórki.
Potem jednak, jakieś 2 mld lat temu, ślad się gubi – gdzieś między bakteriami, eukariontami i archeonami (które przypominają bakterie, ale mają też wiele bliskich nam cech). Z pewnością możemy powiedzieć tylko to, że u korzeni drzewa znajdują się mikroskopijne, jednokomórkowe organizmy, które najprawdopodobniej dały początek całemu ziemskiemu życiu.
Dzieje życia na Ziemi są nam tym lepiej znane, im świeższe. Ostatnie pół miliarda lat, zdominowane przez wielokomórkowe, często obdarzone zewnętrznym czy wewnętrznym szkieletem duże istoty, jest świetnie udokumentowane przez skamieniałości. Mamy bez liku tego rodzaju śladów. Niektóre z nich są tak dobrze zachowane, że możemy badać ich DNA albo białka – najstarsze białko zbadane przez naukowców to kolagen zachowany w szkielecie tyranozaura sprzed 68 mln lat. Dla nas to niewyobrażalnie długi czas, lecz w skali historii planety – niedużo. W czasach tyranozaurów skamieniałe szkielety innych olbrzymich dinozaurów – stegozaurów – same liczyły już sobie ponad 70 mln lat.
Mówią skały
Najstarsze mikroskamieniałości – pozostałości struktury mikroorganizmów – nie są starsze niż miliard lat. Istnieją jednak także innego rodzaju ślady życia, których, jeśli poszukać, okazuje się zdumiewająco dużo. I są zadziwiająco stare.
Jednym z dowodów na to, że życie zaczęło się nie miliony, ale miliardy lat przed najwcześniejszymi skamieniałościami, są tzw. wstęgowe rudy żelaziste. Były one świadkami ważnego wydarzenia w dziejach planety – katastrofy tlenowej, pierwszego udokumentowanego kataklizmu ekologicznego na Ziemi. Wstęgowe rudy żelaziste, jak sama nazwa wskazuje, mają charakterystyczny wzór – czerwone paski, których kolor pochodzi od utlenionego żelaza (ten sam związek barwi rdzę). Żelaza w oceanach młodej Ziemi było bardzo dużo, jednak ich osady miały kolor siny. Nabierały czerwonej barwy dopiero wtedy, gdy w atmosferze pojawił się tlen w postaci cząsteczkowej, czyli O2. Dopóki zawartość tlenu w powietrzu była niewielka i ulegała sezonowym wahaniom, osady zawierające żelazo miały na przemian kolor siny i rdzawy. Po pewnym czasie O2 w atmosferze było już tak dużo, że wszystkie osady zyskały barwę jednolicie czerwoną.
Cząsteczkowa postać tlenu, potrzebna nam do oddychania, jest bardzo aktywna, a jej źródło na Ziemi tylko jedno: żywe organizmy zdolne do fotosyntezy, rośliny i bakterie. Obecność czerwonych osadów zawierających tlenek żelaza to niepodważalny dowód na istnienie bujnego życia już blisko 3 mld lat temu.
A dlaczego właściwie mówimy o „katastrofie” tlenowej? Otóż obfitująca w tlen atmosfera doprowadziła, jak podejrzewamy, do największego w dziejach wielkiego wymierania mikroorganizmów beztlenowych, dla których wysoce reaktywny tlen był trucizną. Co więcej, zmiana składu atmosfery (głównie spadek stężenia dwutlenku węgla) wywołała 2,5 mld lat temu trwające 300 mln lat zlodowacenie całej planety.
Dowodów istnienia życia na Ziemi dostarczają też badania izotopowe. Izotopy to różne formy tych samych pierwiastków chemicznych; chociaż kojarzą nam się z radioaktywnością, wiele wcale jej nie wykazuje. Na przykład węgiel występuje w naturze w dwóch izotopach, 12C i 13C [jest jeszcze 14C, ale dość szybko się rozpada i nie ma zastosowania w badaniach sięgających w przeszłość głębiej niż 50 tys. lat – przyp. red.]. Węgiel 13C jest odrobinę cięższy od 12C i z tego powodu w żywych organizmach (które chętnie pobierają węgiel z powietrza w postaci dwutlenku węgla) jest go stosunkowo mniej. Na podstawie stosunku 12C do 13C można orzec, czy nasze znalezisko żyło kiedyś, czy nie.
Niemal co roku pojawiają się prace na temat bijących dotychczasowe rekordy najstarszych skamieniałości o składzie izotopowym świadczącym, że są pierwszymi śladami życia. Trzy lata temu w czasopiśmie „Nature” ukazał się artykuł opisujący struktury przypominające warstwowe osady mat bakteryjnych (stromatolity) sprzed 3,8 mld lat. Do dziś zawarte w nim treści są przedmiotem intensywnych sporów, jednak wszystko wskazuje na to, że życie na Ziemi istnieje od przynajmniej 3,5 mld lat. Pojawiło się zatem stosunkowo szybko po uformowaniu się planety i jej ochłodzeniu, choć przez ponad 80% swoich dotychczasowych dziejów było ograniczone do jednokomórkowych mikroorganizmów – wielokomórkowe, duże rośliny i zwierzęta to stosunkowo nowy wynalazek.
Analiza izotopów dostarcza coraz pełniejszego obrazu świata pierwszych mikroorganizmów. Za pomocą wyrafinowanych metod udało się niedawno nie tylko stwierdzić, że liczące sobie 3,5 mld lat mikroskamieniałości rzeczywiście należały do żywych organizmów, ale również że były zdolne do fotosyntezy i produkcji metanu.
Życie z próbówki
Ani genetyka, ani analiza chemiczna skał i skamieniałości nie dostarczą nam jednak odpowiedzi na pytanie, jak z prostych, nieorganicznych związków, takich jak dwutlenek węgla, woda czy krzemionka, powstały pierwsze komórki: złożone, zdolne do samonaprawy i ewolucji agregaty skomplikowanych cząsteczek o trudnych do wymówienia nazwach, np. kwas deoksyrybonukleinowy albo dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy.
Tu zła wiadomość: prawie na pewno nigdy nie uzyskamy pewności, jak powstało życie. Ale możemy próbować dowiedzieć się, jak mogło się narodzić. Wiemy, że do powstania życia z materii nieorganicznej konieczne są dwa zasadnicze kroki. Po pierwsze, musiały pojawić się związki organiczne, takie jak cukry, aminokwasy i nukleotydy. Po drugie, musiało dojść do rozpoczęcia ewolucji biologicznej, czyli powstania struktur, które potrafiły się samopowielać i ewoluować. Jak to się wydarzyło? Na ten temat możemy formułować hipotezy, by potem testować je w laboratorium.
Tak właśnie było z hipotezą postawioną w latach 20. XX w. niezależnie przez dwóch naukowców – J.B.S. Haldane’a i Aleksandra Oparina. Obaj zasugerowali, że związki organiczne mogą powstawać spontanicznie z nieorganicznych. Było to stwierdzenie na owe czasy niesłychane: jeszcze kilkadziesiąt lat wcześniej uważano, że związki organiczne zasadniczo różnią się od nieorganicznych, podejrzewano nawet istnienie jakiejś specyficznej siły życiowej, vis vitalis, obecnej tylko w tych pierwszych.
Oparin i Haldane mieli jednak rację: 30 lat później Stanley Miller wraz ze swoim promotorem Haroldem Ureyem pokazał, że w mieszaninie wody, amoniaku, wodoru i metanu, przez którą przechodzą iskry elektryczne, pojawiają się złożone związki organiczne: cukry i aminokwasy, czyli budulec białek. Kilka lat temu, już po śmierci Millera, przeanalizowano część jego próbek nowoczesnymi metodami spektroskopii masowej i odkryto jeszcze więcej różnych związków organicznych. Chociaż mieszanina gazów użyta przez Millera raczej nie przypominała atmosfery pierwotnej Ziemi, od tego czasu wykonano wiele podobnych eksperymentów w najróżniejszych warunkach, uzyskując spontaniczną syntezę nie tylko cukrów i aminokwasów, lecz także nukleotydów – cegiełek DNA i RNA. Dwa lata temu grupa naukowców z Glasgow wykazała zaś, że nukleotydy potrafią spontanicznie łączyć się w polimery przypominające DNA.
Niekoniecznie tlen
Każdy organizm składa się ze skomplikowanych związków chemicznych. Do życia potrzebna mu jest energia, która umożliwia tworzenie i utrzymanie tych związków oraz napędza rozmaite procesy: ruch, pobieranie substratów z otoczenia, wzrost i rozmnażanie. Życie na Ziemi opiera się wyłącznie na jednym sposobie przemian energetycznych: chemicznej reakcji utleniania jednych substratów przez inne – które ulegają „odtlenieniu”, co fachowo nazywa się redukcją. Jeżeli zmieszamy „odtlenioną” siarkę oraz „odtleniony” węgiel z utleniaczem – saletrą, to mieszanina taka, zwana pospolicie czarnym prochem, łatwo ulegnie gwałtownej reakcji ponownego utleniania siarki i węgla, a przy tym wyzwoli się mnóstwo energii. Armata wystrzeli. Nasze organizmy cały czas produkują energię w podobny sposób.
Dla większości współczesnych organizmów utleniaczem umożliwiającym owo energetyczne zasilanie wszystkich procesów jest tlen w atmosferze (albo rozpuszczony w wodzie). Ale tlen pojawił się dopiero wtedy, gdy życie „nauczyło się” wykorzystywać nieograniczone źródło energii – promieniowanie słoneczne, za pomocą którego redukcji ulega dwutlenek węgla z powietrza i powstają rozmaite molekuły, a przy okazji uwalnia się tlen.
Starając się rozwikłać zagadkę początków życia, trzeba uświadomić sobie, że utleniaczem wcale nie musi być tlen. W czarnym prochu jest nim przecież saletra, a wiele współczesnych mikroorganizmów zadowala się innymi substratami chemicznymi umożliwiającymi proces utleniania i redukcji. Tak samo mogło być u zarania życia na Ziemi.
Oparin i Haldane zakładali, że źródłem energii zasilającej syntezę związków organicznych były wyładowania elektryczne w atmosferze (eksperyment Millera potwierdził taką możliwość), ale czy nastąpiło ich wystarczająco dużo? Może istniały inne źródła energii w postaci innych utleniaczy?
Z głębin czy z powierzchni?
W latach 80. XX w. odkryto gorące głębinowe źródła – kominy hydrotermalne, obrazowo zwane po angielsku black smokers. Pod olbrzymim ciśnieniem 2 km pod powierzchnią morza rozgrzana przez lawę do kilkuset stopni woda penetruje skały, wymywając z nich olbrzymie ilości nieorganicznych związków węgla, siarki i żelaza, w tym sporo metanu i amoniaku, których – wbrew wyobrażeniom Oparina i Haldane’a – nie było zbyt wiele w atmosferze wczesnej Ziemi. Wokół kominów kwitnie życie, napędzane nie energią Słońca, lecz związków chemicznych dostarczanych z gorącą wodą. Odkrycie źródeł hydrotermalnych dało początek hipotezom wskazującym, że potencjał energetyczny, potrzebny do zasilania procesów życiowych, może powstawać dzięki wydobywaniu się z głębi Ziemi zredukowanych związków siarki, żelaza, a także zredukowanego węgla – metanu.
Istnieje jeszcze przynajmniej jedna możliwość: hydrotermalne źródła na powierzchni lądów. Chociaż związana z nimi geochemia jest inna, też potrafią dostarczać olbrzymich ilości przeróżnych, mniej i bardziej skomplikowanych związków chemicznych, które służą mikroorganizmom za źródło energii i budulec, ale oprócz tego dociera do nich światło Słońca, w tym promieniowanie ultrafioletowe (UV). A właśnie ono mogło być kluczowe: kilka lat temu pokazano, że dzięki UV może dojść do syntezy RNA na bazie prostego związku chemicznego – cyjanowodoru. John D. Sutherland, którego zespół dokonał tego odkrycia, opisał reakcje, dzięki którym z cyjanowodoru i kilku innych prostych związków mogło dojść do spontanicznego powstania nie tylko RNA, lecz także aminokwasów i tłuszczów.
Śmiało możemy więc założyć, że w warunkach panujących na młodej Ziemi dochodziło do spontanicznej syntezy związków organicznych, być może nawet dość złożonych. Ale to wyjaśnia dopiero pierwszą część zagadki. Trzeba jeszcze odpowiedzieć na pytanie, jak z tych związków mogły powstać ewoluujące organizmy. Tu kluczową kwestią jest zdolność do ewolucji, a więc umiejętność samopowielania się (replikacji) z błędami (mutacjami) umożliwiającymi powstanie nowych form. W naturze znamy właściwie tylko jeden system, który to potrafi: DNA. Jest jednak pewien problem – żeby DNA mogło się replikować, potrzebne są białka.
Magiczne molekuły
U wszystkich żywych organizmów na niciach DNA zapisane są geny, a w genach wszystkich organizmów zakodowane są białka, będące zarówno podstawowym budulcem naszych komórek, jak i stanowiące główny składnik maszynerii komórkowej: białka budują inne białka oraz wszystkie inne składniki naszych komórek, syntetyzują DNA, przeprowadzają skomplikowane reakcje chemiczne utrzymujące nas przy życiu przez dostarczanie energii. Życie to białko; a tak jak nie ma białka bez DNA, tak i nie ma DNA bez białek – enzymów, które powielają DNA przy każdym podziale komórek.
Do syntezy białek potrzebna jest informacja zawarta w DNA, a do syntezy DNA potrzebne jest białko. Pojawia się więc drugi poważny problem z powstaniem życia: co było wcześniej, jajko czy kura? DNA czy białka? Na pierwsze pytanie znamy akurat odpowiedź, bo jaja składały już gady, płazy i ryby, miliony lat przed powstaniem ptaków. Drugi problem jest o wiele trudniejszy. Możemy przypuszczać, że prawda – wyjątkowo – rzeczywiście leży pośrodku. Dość dosłownie pośrodku: na drodze między informacją zakodowaną w DNA a białkiem istnieje jeszcze jedna substancja chemiczna. Zanim powstanie białko według receptury – genu zapisanego w DNA – owa receptura zostaje najpierw przepisana „na brudno”. To tak, jakbyśmy z książki kucharskiej wybrali fragment dotyczący jednej potrawy i przepisali go na karteczkę, którą możemy dla wygody przykleić na lodówce lub nad blatem. Białka nie są budowane bezpośrednio na bazie DNA, lecz na podstawie owej kopii roboczej – zapisanej na pojedynczych niciach substancji znanej jako RNA.
Jednym z najbardziej niebywałych (i nagrodzonych Noblem) odkryć w historii biologii molekularnej było stwierdzenie, że RNA nie jest bierne jak DNA, ale może samo występować w roli enzymu zwanego rybozymem. Niektóre takie rybozymy potrafią – co prawda w ograniczonym stopniu – syntetyzować RNA. Zatem RNA może być jednocześnie enzymem i nośnikiem informacji. Takie cząstki RNA udało się stworzyć w laboratorium. Nie tylko umiały się (w dużej mierze) same powielać, ale czyniąc to z błędami, ewoluowały, w krótkim czasie ulepszając swoją sprawność.
Wszystko wskazuje więc na to, że pierwszymi ewoluującymi molekułami (bo jeszcze trudno mówić o organizmach) mogły być złożone rybozymy, których pozostałości – można powiedzieć: molekularne skamieniałości – nosimy w sobie wszyscy.
Hipoteza kosmiczna
Nie da się też wykluczyć, że życie powstało poza Ziemią. Wiemy dziś, że niektóre bakterie potrafią przetrwać ekstremalne warunki, śmiertelne dla wszystkich innych żywych organizmów, więc być może jakieś bakterie trafiły na naszą planetę wraz z pozaukładowym asteroidem – jako pasażerowie na gapę. Jest to o tyle mało prawdopodobne, że asteroidy spoza Układu Słonecznego zdarzają się niezmiernie rzadko, a pokrywające je bakterie musiałyby spędzić w podróży setki tysięcy, jeśli nie miliony lat. Poza tym nawet gdyby tak było, tłumaczy to jedynie, skąd się wzięło życie na Ziemi, natomiast odsuwa problem powstania życia na inną planetę. Niemniej jednak można spróbować przetestować taką hipotezę. Przeprowadza się eksperymenty sprawdzające wytrzymałość bakterii na ekstremalne temperatury i wygląda na to, że niektórym bakteriom, ukrytym wewnątrz skał, rzeczywiście udaje się przetrwać upadek meteorytu na Ziemię. Potrafią też przeżyć w przestrzeni kosmicznej, o ile są chronione przed promieniowaniem kosmicznym.
Są też pomysły zupełnie zdumiewające. Współodkrywca DNA i laureat Nagrody Nobla Francis Crick postawił kiedyś tezę, że życie jest celowo rozpowszechniane przez wyższą cywilizację. Wizja taka świadczy raczej o ekscentryczności laureatów Nobla i o tym, że nie należy bezkrytycznie podchodzić do wszystkiego, co mówią. Nie chodzi o to, czy jest to prawdopodobne, czy nie, lecz że jest to pomysł całkowicie pozanaukowy – nie ma możliwości jakiegokolwiek eksperymentalnego przetestowania takiej hipotezy. Nawiasem mówiąc, scenariusz ten Stanisław Lem wykpił, sugerując w jednej ze swoich opowieści o Ijonie Tichym, że życie na Ziemi wzięło swój początek z pijackiego żartu niejakich Banna i Pugga, którzy wylawszy paskudną mieszaninę żelatyny i aminokwasów, bełtali ją wykrzywioną w lewo łopatką do węgla, co tłumaczy lewoskrętność aminokwasów budujących białka.
Tego tekstu możesz również posłuchać w naszym dziale Multimedia.
Czytaj również:
