Znajdź zawartość

Zagadnienie powstania życia jest pełne zagadek. Mimo że nauka rozwiewa kolejne tajemnice, wciąż pozostało wiele do wyjaśnienia, a najtrudniejsze są problemy typu „jajko czy kura". Okazuje się, że niektóre z nich rozwiązują właściwości chemiczne metali przejściowych. Od pięćdziesięciu lat wielkim problemem teorii powstania życia jest fakt, że do powstania monomerów potrzebne są pełniące rolę katalizatorów duże cząsteczki białek, a te zbudowane są właśnie z monomerów - tłumaczy Harold Morowitz z George Mason University. Zwykło się uważać, że jeśli zrozumiemy rolę węgla, wodoru, azotu, tlenu, fosforu i siarki, będziemy natychmiast w stanie pojąć istotę życia - kontynuuje Morowitz. Ale skoro odkrywamy, że inne stosunkowo rzadkie pierwiastki, metale przejściowe, są niezbędne w biologii, musimy też zapytać o ich rolę w powstaniu życia. Zarys rozwiązania pojawił się podczas studiowania tablicy okresowej pierwiastków. Uważamy, że bez zrozumienia, jaką rolę pełnią zwykłe reakcje chemiczne, nie rozwiążemy problemu. Wiarygodne i proste rozwiązanie tej zagadki zaproponowali Morowitz, Vijayasarathy Srinivasan (również pracownik GMU) oraz Eric Smith z Santa Fe Institute. Uważają oni, że metale przejściowe (żelazo, miedź, nikiel itp.) mogą służyć jako prosty katalizator umożliwiający powstawanie aminokwasów i nukleotydów. Byłby to trzeci znany rodzaj katalizatora, oprócz białek i rybozymów. Według modelu zaproponowanego przez uczonych, właśnie w ten sposób, podczas reakcji w podwodnych kominach geotermalnych (już dawniej łączonych z powstaniem życia), „zastartował" metabolizm, czyli samopodtrzymywanie się życia. Metale przejściowe mogą łączyć się z ligandami (atomami w związkach kompleksowych, które są bezpośrednio przyłączone do atomu centralnego); atom metalu przejściowego działa wtedy jak ośrodek kompleksu metalowo-ligandowego. Tak mogły one katalizować powstawanie najprostszych monomerów, które z kolei stanowiły podstawę bardziej złożonych cząsteczek. Według pomysłodawców tej teorii, życie mogło się rozpocząć dzięki redukcyjnemu cyklowi kwasu cytrynowego (tzw. cyklowi Krebsa, cyklicznemu szeregowi reakcji biochemicznych, niezbędnych wielu mikroorganizmom). Istnieją dowody, że właśnie w środowisku kominów hydrotermalnych panują dogodne warunki do jego przebiegu. Morowitz i współpracownicy zamierzają teraz przeprowadzić eksperymenty sprawdzające katalityczne właściwości związków metali z różnymi ligandami. Interesującą konsekwencją tej teorii jest fakt, że powstanie życia byłoby na tyle proste, że mogło do niego dojść nie raz, lecz wielokrotnie. Oznaczałoby to, że powstanie życia jest bardzo prawdopodobne nie tylko na naszej planecie, ale również poza nią.

To z pewnością jedno z najbardziej sensacyjnych odkryć ostatniego czasu. Zespół naukowców z Uniwersytetu w Monachium nie tylko teoretycznie, ale praktycznie pokazał, w jaki sposób DNA może replikować się bez udziału żywych organizmów. Obok zagadki powstania metabolizmu, o której rozwiązaniu niedawno pisaliśmy, zagadka: co było pierwsze, DNA, czy życie stanowiła jedną z największych tajemnic powstania życia. Żaden organizm nie może się powielać bez DNA, a DNA może powielać się tylko w żywych organizmach. Przynajmniej do tej pory tak sądzono. Praca i eksperymenty, jakie przeprowadzili Christof Mast i Dieter Braun z Uniwersytetu im. Ludwiga Maximiliana w Monachium pokazały, że DNA może powielać się i różnicować w całkiem prostych warunkach. Kluczem okazały się głębokomorskie wulkaniczne kominy hydrotermalne. Jak jakiś czas temu pisaliśmy, zdziwienie naukowców budził fakt, że w warunkach, jakie tam panują - ekstremalne temperatury, ciśnienie i przesycenie wody związkami chemicznymi - bujnie kwitnie tam życie. Dziś okazuje się, że to być może właśnie tam życie powstało. Hydrotermalne ujścia, zwane kominami znaleźć można na głębokim oceanicznym dnie, tam, gdzie rozstępują się płyty tektoniczne, powodując wysoką aktywność wulkaniczną. Z dna wydobywa się lawa, wrząca woda (powyżej 350°C), przesycona związkami chemicznymi: amoniakiem, metanem, czy siarczkami metali, które odkładają się, tworząc podwodne struktury. Dziś można powiedzieć, że obecność życia w takich warunkach nie tylko nie powinna dziwić, ale powinna być oczywista. Być może stąd pochodzimy. W takich warunkach występują porowate skały bogate w magnez. Magnezowe skały reagują z wodą, tworząc ciepło, które powoduje konwekcję - unoszenie się cieplejszej wody i opadanie chłodniejszej - w tych właśnie mikroskopijnych skalnych porach. Ponieważ ściana takiego miniaturowego naczynia znajdująca się bliżej gorącego komina jest cieplejsza od przeciwległej, woda może krążyć „w kółko", tworząc naturalne urządzenie mieszające. W takim naczyniu mogłyby gromadzić się nukleotydy, nici DNA i polimeraza, których ciągłe mieszanie sprzyjałoby zagęszczaniu i powielaniu się. Ten model obala jedną z największych wątpliwości, mówiącą, że w zagęszczenie tych elementów w pierwotnym oceanie nie mogło być wystarczająco wysokie, żeby pozwolić na ich skuteczne oddziaływanie. Jak to działa? Proces wygląda tak: unoszące się podwójne DNA jest „rozrywane" na pojedyncze nici przez podwyższoną temperaturę. Po chłodniejszej stronie polimeraza powoduje doklejanie swobodnych nukleotydów do pojedynczej nici DNA, w miarę opadania zwiększa się ich koncentracja, co sprzyja szybszej odbudowie podwójnej helisy, która za chwilę może być znów uniesiona po gorącej stronie. W ten sposób stopniowo zwiększa się zagęszczenie fragmentów DNA, powstają coraz to nowe kopie. Model wyjaśnia też, jak może dochodzić do rekombinacji, czyli mieszania nici DNA, powodując powstawanie nowych wariantów. Wystarczy, że „produkty" naturalnego replikatora zawędrują do sąsiednich, gdzie podobny proces wykształcił odmienne nici DNA. Taka wędrówka może się odbywać zapewne na wiele sposobów, ale uczeni proponują konkretny środek transportu: kwasy tłuszczowe. W zeszłym roku naukowcy z Harvardu odkryli, że w warunkach cieplnej konwekcji - które przecież właśnie panują w interesującym nas miejscu - kwasy tłuszczowe tworzą błony. Błony takie zaś stanowią doskonałą pułapkę na unoszące się w wodzie nici DNA, mogą je zagęszczać i przenosić w inne miejsca. Nie jest to już tylko model teoretyczny, bowiem zespół monachijskiego uniwersytetu odtworzył wspomniane warunki w laboratorium. Niewielkie rurki, długie zaledwie na półtora milimetra, napełniono materiałem: niciami DNA, polimerazą i nukleotydami. Podgrzewano je z jednej strony przy pomocy lasera, aby wywołać konwekcyjne mieszanie zawartości. Bingo, okazało się, że rzeczywiście w takich warunkach DNA się powiela. W doświadczeniu nowa kopia pojawiała się co 50 sekund. Ewolucja miała miliardy lat i miliardy takich naczynek. W ten sposób dołożono nową cegiełkę do obrazu „jak powstało Życie na Ziemi". Może nieprędko ten obraz będzie kompletny, ale kiedyś to nastąpi.

Profesor Andrea Koschinsky-Fritsche z Jacobs University w Bremen odkryła na dnie Oceanu Atlantyckiego najgorętszą wodę na Ziemi. To woda, ale nie taka, do jakiej przywykliśmy, ponieważ znajduje się w stanie nadkrytycznym, niespotykanym dotąd w naturze. Można ją znaleźć 3 kilometry pod powierzchnią, na szczycie olbrzymiego bąbla magmy. Ciecz, a właściwie coś pośredniego między cieczą a gazem, wydostaje się z kominów hydrotermalnych Dwie Łodzie (Two Boats) i Siostrzany Szczyt (Sisters Peak). Najprawdopodobniej w ten właśnie sposób minerały i pierwiastki, np. żelazo, miedź, mangan, siarka czy złoto, wydostają się z głębszych warstw Ziemi do oceanów. Koschinsky szacuje, że połowa oceanicznego manganu i 1/10 żelaza wypływa właśnie z kominów. W normalnych warunkach wzrost ciśnienia i temperatury powoduje wrzenie i parowanie cieczy. Jeśli jednak oba parametry są większe od ciśnienia i temperatury punktu krytycznego, zanika różnica gęstości między gazem a cieczą. W przypadku wody mamy do czynienia z czymś lżejszym od cieczy, a cięższym od pary. W 2005 roku zespół pani Koschinsky rozpoczął realizację 6-letniego projektu badania południowych krańców Grzbietu Śródatlantyckiego. Na 5° szerokości geograficznej południowej odkryto wtedy nowe kominy hydrotermalne. W rok i dwa lata potem Niemcy pokusili się o zmierzenie temperatury w ich okolicach. Modele komputerowe podpowiadały, że wydostająca się z nich woda wsiąka w szczeliny w dnie. Wnikając coraz głębiej, jest poddawana oddziaływaniu coraz większego ciśnienia. W miarę zbliżania się do magmy wzrasta też jej temperatura. Przy 407 stopniach Celsjusza i ciśnieniu 300 barów przechodzi w stan nadkrytyczny. Jako że woda w stanie nadkrytycznym ma mniejszą gęstość od wody w stanie ciekłym, jest wyrzucana w górę jako bąble przez kominy hydrotermalne. Temperatura panująca w kominach to co najmniej 407°C, ale co jakiś czas na 20 sekund sięga ona nawet 464°C. Woda w stanie nadkrytycznym doskonale wypłukuje metale. Wychodzi jej to znacznie lepiej niż wodzie ciekłej czy parze wodnej. Siarka jest wykorzystywana przez bakterie siarkowe, które nie mają dostępu do światła. Mangan to źródło energii dla organizmów żyjących bliżej powierzchni oceanu. Żelazo zostaje zaś spożytkowane przez fitoplankton. Temperatura we wnętrzu kominów jest tak wysoka, że dochodzi do topienia oprzyrządowania. To jeden z powodów, dla których dane zdobyte przez Niemców są aż tak istotne.