Weź do jednej ręki kamień, a do drugiej jakieś małe zwierzątko, np. myszkę. Zaciśnij ostrożnie palce i zamknij oczy. Różnica między materią nieożywioną a ożywioną jest oczywista, prawda? A co, gdybym powiedział, że dalekim przodkiem tej myszki jest żyjący… kamień?

Ziemia, 4 mld lat temu. Na dnie płytkiego bajorka z mulistego dna leniwie unoszą się bąbelki gazu. Przyglądamy się z bliska powierzchni błota, która okazuje się trochę pienista, a trochę włóknista. Gdybyśmy skorzystali z mikroskopu, dojrzelibyśmy splątaną gmatwaninę nitek, płytek, rurek i kuleczek, naprzemiennie ros­nących i malejących, puchnących i więdnących, rozdwajających się i łączących. To pierwszy organizm na naszej planecie. Ożywione błoto. Niewiarygodne? Nie dla dwóch ekscentrycznych panów ze Szkocji, którzy od kilkudziesięciu lat pracowicie wywracają fundamenty biologii do góry nogami.

Tchnął w jego nozdrza

To pomysł stary jak świat: materia sama w sobie jest martwa, głupia, bezwolna, pasywna. Aby była aktywna, miała wolę, cel i błysk w oku, potrzebny jest element Ducha – szepnięte w ucho materii Słowo. Ile kultur, tyle sposobów na wyrażenie tej pierwotnej intuicji. Starożytni Grecy flirtowali z ideą Wielkiego Artysty, który wlewa w świat formę jak rzemieślnik przemieniający bezkształtną bryłę gliny w dzban. Starożytni Indowie uważali, że Kosmos – zupełnie jak człowiek, wyposażony nie tylko w „ja” cielesne, ale także „ja” witalne – ma zarówno materialne ciało (Wirat), jak i poruszającą je „duszę świata” (Hiranjagarba). Bez niej byłby martwy i nieruchomy jak trup.

Niemal każda kultura Bliskiego Wschodu – i wiele innych – oferuje zaś swoją wersję powstania człowieka z gliny. W sumeryjskim Eposie o Gilgameszu bogini Aruru tak właś­nie stwarza człowieka imieniem Enkidu. Egipski bóg Chnum posiadał już manufakturę ciał ludzkich, tworzonych, bardzo profesjonalnie, na kole garncarskim. Kluczowy moment stworzenia człowieka pięknie ilustruje zaś klasyczna opowieść o Jahwe, który po ulepieniu pierwszego mężczyzny tchnął w jego nozdrza „tchnienia życia” – dopiero wtedy „stał się człowiek istotą żywą”.

Informacja

Z ostatniej chwili! To druga z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Intuicje te przeniknęły do świata racjonalnej filozofii, a z niej do nauki. Liczba nazw stosowanych przez naukowców na określenie tej subtelnej różnicy między materią ożywioną a nieożywioną w niczym nie ustępuje liczbie imion bogów, którym przypisywano autorstwo życiodajnego tchnienia. Mamy więc „magnetyzm” Mesmera, „pęd formatywny” Blumenbacha, „fenomeny witalne” Pasteura, „siłę odyczną” von Rei­chenbacha, „entelechię” Driescha, „siłę witalną” Bergsona, „orgon” Rei­cha…, a wszystko to pod ogólnym parasolem witalizmu – przekonania, że oprócz materii życiu potrzebne jest jeszcze „to coś”.

W XX w. poznaliśmy w końcu chemiczną budowę komórki żywej i „zabawa w witalizm” została brutalnie zakończona. Choć pełnego przepisu na życie nie ma, znamy przynajmniej listę składników i, jako żywo, nie występuje na niej nic, czego nie dałoby się opisać przy użyciu normalnego języka chemii. Poszukiwania „siły witalnej” przekształciły się więc z czasem w poszukiwania możliwego scenariusza powstania życia: z czego konkretnie składały się pierwsze organizmy i jak do tego doszło, że składniki te spotkały się w jednym miejscu?

Mogłoby się wydawać, że z biologii wypłukane już zostały ostatnie resztki starej teorii witalizmu, jednak w niemal wszystkich rozważaniach na ten temat pojawia się, i to w charakterze niedyskutowanego aksjomatu, specyficzny witalistyczny nalot. Nieodmiennie występuje w nich bowiem pożywny bulion organiczny, gęsty od smakowitych aminokwasów, cukrów i tłuszczów. Poszukiwanie źródeł życia opiera się więc na przekonaniu, że istnieje jednak coś takiego jak „chemia życia” – materia jeszcze-nie-ożywiona, ale „ożywialna” – a ponadto, że jest to ta sama chemia, z której składamy się dziś my, brzozy i bakterie.

Rozumowanie to można jednak próbować podważyć, proponując coś, co zrazu zdawałoby się szaleństwem – wyłonienie się życia z prochu i pyłu: z gliny, owego najniższego, najpodlejszego materiału w Kosmosie. Choć o możliwości takiej długo szeptano, do jej rozkwitu do poziomu porządnej hipotezy naukowej trzeba było nadludzkiej odwagi, fantazji i determinacji.

Kryształowe geny

Alexander Graham Cairns-Smith pojawił się na scenie naukowej pod koniec lat 60. i już jego pierwsze artykuły naukowe – pisane, gdy był 30-latkiem – zdradzają fascynację zagadką powstania życia i próbami jej rozwiązania na sposób, powiedzmy, niestandardowy. Oto niektóre z tytułów jego artykułów: „Argumenty za kosmicznym pochodzeniem życia”, „Reakcja formozowa na powierzchniach minerałów i jej znaczenie dla powstania życia”, „Początki ewolucji organicznej”… Wreszcie, w 1987 r., bez żadnego ostrzeżenia, Cairns-Smith publikuje w prestiżowym Cambridge University Press książkę Genetic takeover, w której przedstawia swoją wielką teorię. Orga­nizmy żywe, głosi Cairns-Smith, składały się początkowo z minerałów, a nie związków organicznych ­– te pojawiły się później, na doczepkę, stopniowo uniezależniając się od swoich krystalicznych towarzyszy.

Szaleniec? Jeśli tak, to przekonujący. Cairns-Smith rozpoczyna swój wykład od intrygującej analogii. Spójrzmy na nuklearną rakietę międzykontynentalną. Czysto historycznie jest ona – jako zaawansowany typ broni dalekiego zasięgu – odleg­łym potomkiem łuku i strzały. Czy jednak została zbudowana z tych samych materiałów? Ludzie wyobrażający sobie pierwsze komórki żywe jako mniejsze, bardzo uproszczone agregaty białek, węglowodanów czy tłuszczów zachowują się jak historyk, który wyobraża sobie pradawną broń jako skrzyżowanie metalowego długopisu ze smartfonem. Zaawansowane struktury wymagają zaawansowanych materiałów. Pierwsze struktury były proste – szukajmy więc materiałów prostszych niż znane z dzisiejszych komórek związki organiczne.

Argumentacja Cairnsa-Smitha nie byłaby nawet w połowie tak przekonująca, gdyby nie jego szaleńcza fascynacja minerałami, które w jego narracji ożywają, zupełnie dosłownie. Tak szczerze – co przychodzi wam na myśl, gdy pada słowo „minerał”? Zapewne sztywne, regularne kryształki podobne do ziarenek piasku. I choć rzeczywiście wiele minerałów tworzy tego typu proste, statyczne bryłki, nie jest to zasadą ogólną. Kojarzycie choćby azbest? To wszak też jest struktura mineralna, a przypomina bardziej watę niż kamień. Oko Cairnsa-Smitha spoczęło na minerałach wyglądających i zachowujących się nieco ciekawiej niż kryształek kwarcu. Wysokiej jakości zdjęcia z mikroskopu elektronowego, którymi ozdobiona jest jego książka, ukazują nam świat splątanych i zmierzwionych włókien oraz nitek, popękanych, pofałdowanych blaszek, a nawet banieczek i kłębuszków. Szczególnie uważnie Szkot przyjrzał się minerałom ilastym, składającym się z wielkiej liczby cieniutkich blaszek, przypominającym więc nieco talię kart lub ryzę papieru.

To jednak nie koniec. Owe przedziwne struktury nie są statycznymi, martwymi rzeźbami „wykutymi w kamieniu”. Minerały ilaste potrafią, przykładowo, wchłaniać wodę, pęczniejąc, a następnie ją oddawać. Potrafią nawet być w tym procesie selektywne, przyjmując tylko niektóre składniki roztworu, a „odmawiając” innym. Włókna i płytki mineralne rozdzielają się i rozszczepiają, osiadając w innym miejscu, gdzie tworzą nową „kolonię mineralną”, która następnie rośnie, pobierając składniki chemiczne z roztworu.

Te procesy niepokojąco przypominają, kolejno, reagowanie na środowisko, odżywianie się i rozmnażanie. Cairns-Smith proponuje na tej bazie scenariusz, w którym pierwszym systemem żywym było „dynamiczne błoto”, przeprowadzające szereg prostych reakcji chemicznych zapewniających energię i rozmnażające się poprzez cykle pęcznienia, złuszczania i obkurczania. Ba, częścią tego scenariusza jest powstanie pierwszej wersji kodu genetycznego – tego, za co dziś odpowiada DNA – jednak zrealizowanego w całości na bazie mineralnej.

Jak to możliwe? Wróćmy do minerałów ilastych. Gdy przyjrzeć się im bliżej, okazuje się, że między poszczególnymi blaszkami mogą znajdować się warstewki dodatkowych cząsteczek lub jonów – minerały te nie są więc prostym, „suchym” stosem warstw przypominającym ryzę papieru, a raczej tortem, w którym glinokrzemianowe „wafle” przekładane są rozmaitymi smakowitymi dodatkami. Kolejne warstwy mogą mieć przy tym różny skład, jak w fantazyjnym pischingerze: wafel-dżem-wafel-czekolada-wafel-dżem-wafel-powidła… Oznaczmy może warstwę dżemu literą D, warstwę czekolady literą C i warstwę powideł literą P, same zaś wafle literą w. Sekwencja naszego tortu mog­łaby wtedy wyglądać następująco: wCwCwDwPwPwCwDw lub, jeśli dla klarowności pominiemy w zapisie obecność wafli, CCDPPCD.

Idźmy dalej. Minerały ilaste w odpowiednich warunkach rosną swobodnie, zarówno „w górę” (gdy powstają kolejne warstwy), jak i „na boki” (gdy liczba warstw jest stała, jednak rośnie średnica całego „tortu”). W tym drugim przypadku dzięki cudom chemii warstwa „dżemowa” będzie zawsze uzupełniana tylko o kolejne atomy „dżemu”, „czekoladowa” – o atomy „czekolady”, a warstwa „waflowa” – o kolejne składniki „wafla”. Sekwencja tortu jest więc reprodukowana: siedmiowarstwowy tort o „genotypie” CCDPPCD, początkowo średnicy jednogroszówki, mógłby zatem urosnąć do rozmiarów talerza, wciąż składając się z dokładnie tej samej sekwencji warstw (choć w scenariuszu Cairnsa-Smitha mowa raczej o nano- i mikrometrach). Owe cienkie płatki mineralne stają się jednak w miarę wzrostu coraz bardziej podatne na pęknięcia, choćby pod wpływem ruchu wody albo zderzeń z innymi drobinami mineralnymi. Ukruszony fragment minerału ilastego może więc oddzielić się od swojej „matki” i osiąść kawałeczek dalej, przechowując jednak w sobie jej sekwencję „genetyczną”, a następnie ­rosnąc według wciąż tego samego schematu. To już nie tylko rozmnażanie, ale także rozmnażanie z transferem informacji „genetycznej”!

Gdzie w tym obrazie miałaby się w ogóle pojawić chemia życia takiego, jakie znamy? Cairns-Smith podpowiada, że na brzegach mineralnych „torcików” proste związki organiczne mogłyby stanowić coś w rodzaju kleju zwiększającego początkowo stabilność tych struktur, dopiero później zaczęłyby pełnić pozostałe funkcje, stopniowo uzyskując coraz większą samodzielność. Cóż za wizja, prawda? Genetic take­ov­er pozostałby prawdopodobnie do dziś właśnie tym – odosobnioną ciekawostką, swobodną fantazją ekscentrycznego chemika – gdyby nie jego młodszy kolega z University of Glasgow, Lee Cronin.

W ogniu tortur

11 lipca 2011 r., Edynburg. Otwarcie konferencji TEDGlobal 2011, jednego z najważniejszych wydarzeń na światowym rynku idei: mówcy zapraszani przez TED należą do śmietanki światowych myślicieli, a o ich wykładach mówi potem cały świat. Wykład inauguracyjny wygłasza 38-letni chemik z pobliskiego Glasgow, Lee Cronin. Cronin już wtedy był kimś w rodzaju supergwiazdy świata chemii (oczywiście na tyle, na ile dyscyplina ta w ogóle jest w stanie wyprodukować gwiazdora…), znanym z tego, że w jego laboratorium atakuje się tylko najbardziej ekscytujące problemy. Ot, choćby domowa synteza lekarstw – jednym z ukochanych projektów Cronina jest opracowanie standardowego zestawu połączonych ze sobą butli, kolb, grzejników, separatorów i wirówek, sterowanych automatycznie z poziomu komputera osobistego, który każdy może zmontować u siebie w garażu, a następnie, po ściągnięciu z Internetu odpowiedniego przepisu, wyprodukować dowolnie wybrany związek organiczny. Jednym z pierwszych produktów uzyskanych tą metodą był sildenafil, znany lepiej jako…viagra. Marzeniem Cronina jest więc szerokie udostępnienie, za równowartość kilku tysięcy dolarów, możliwości omijania firm farmaceutycznych przy pozyskiwaniu leków. Wariactwo? Ha! To posłuchajcie, czym Cronin zaskoczył gości inauguracyjnego wykładu TEDGlobal 2011.

Tytuł jego wystąpienia, Making matter come alive – czyli Budzenie materii do życia – pobudza i ożywia wyobraźnię, jednak większość zgromadzonych prawdopodobnie uznała, że będzie mowa o tym samym, o czym od dekad dyskutują chemicy: o scenariuszu wyprodukowania protokomórek z prostych związków organicznych. Nie tym razem. Zdumionej publiczności przedstawiona została bowiem „alternatywna ścieżka do życia” – kompletnie nieorganiczna, oparta na związkach metalicznych i mineralnych. W laboratoriach Cronina, jak się okazało, przeprowadzany był eksperyment, który wcześniej wyobrażali sobie tylko wizjonerzy science fiction, choćby Lem w opowiadaniu Doktor Diagoras. Otóż bogatą mieszaninę związków nieorganicznych, tworzących różnego rodzaju złożone struktury przypominające mineralną menażerię Cairnsa-Smitha, poddano seryjnym torturom – naprzemiennemu ochładzaniu i ogrzewaniu, podwyższaniu i obniżaniu kwasowości, zmianom stężenia rozpuszczalników… I tak w kółko, w poszukiwaniu tych najstabilniejszych, które nie tylko przetrwają, ale też, być może, zaczną się reprodukować.

Bardzo chciałbym napisać, że w to­ku szalonych eksperymentów Cronina rzeczywiście z probówki zaczęły wypełzać mineralne monstra, uzyskując samodzielność i ewoluując… Niestety, mimo trwających wiele lat wytężonych prób nie udało się jeszcze wytworzyć nieorganicznego życia. Owszem, w nauce rzadko zdarza się, aby tak intensywne wysiłki nie przyniosły żadnej korzyści, a zespół z Glasgow odkrył, przykładowo, wiele struktur mających szereg zastosowań w nanotechnologii. Ale nieorganicznego życia jak nie było, tak nie ma. Spokojnie, Cronin to wciąż jeszcze młody facet. Może to właśnie lata 20. XXI w. przyniosą nam rozwiązanie zagadki życia? A może po prostu potrzebny jest kolejny szalony Szkot na literę „C”?