Znajdź zawartość

O ile powstanie życia - pierwszej, prostej komórki jest wielka zagadką, o tyle kolejną zagadką jest powstanie organizmów wielokomórkowych. Pierwsze jednokomórkowce powstały cztery miliardy lat temu, ale dwa kolejne miliardy lat minęły, nim zaczęło pojawiać się bardziej złożone formy życia. Jak do tego doszło? Europejscy naukowcy mają nową koncepcję. Do tej pory sądzono, że organizmy wielokomórkowe powstały z połączenia się, rodzaju kolonii jednokomórkowców. Poszczególne komórki w takich koloniach współpracowały, potem specjalizowały się, stając się jednocześnie coraz bardziej zależne od innych, komplikując jednocześnie swoją budowę, wytwarzając jądro komórkowe, mitochondria itd. Nick Lane, brytyjski biolog z University College London oraz William Martin, niemiecki biolog z University of Duesseldorf uważają, że ten sposób nie zadziałałby, a organizmy wielokomórkowe powstały w inny sposób, dzięki bardzo wyjątkowemu zdarzeniu, co było przyczyną, że tak długo trzeba było czekać. Ich zdaniem najpierw musiały powstać eukarionty - czyli organizmy posiadające jądro komórkowe z mitochondriami, dopiero potem mogły one łączyć się w bardziej złożone życie. Dlaczego? Mitochondria są zwane komórkowymi elektrowniami, to one bowiem wytwarzają energię dla komórki. Jądro komórkowe z kolei sprawia, że komórka zawiera wielokrotnie więcej genów (nawet tysiąc razy więcej), może wytwarzać znacznie więcej różnorodnych białek, szybciej więc ewoluuje, komplikuje i dostosowuje do zmian środowiska. Prokarionty, czyli prymitywne komórki, pozbawione mitochondriów, zdaniem Lane'a i Martina nie dysponują wystarczającą ilością energii, aby mogły wystarczająco komplikować swoich funkcji. To nadwyżki energii pozwoliły na powiększanie złożoności i specjalizacji. Z kolei brak jądra i mała ilość genów nie dawały możliwości ewolucji, potrzeba było „nadmiaru" różnorodnych genów, żeby zapoczątkować szybką ewolucję wielokomórkową. Jak jednak doszło do powstania pierwszej komórki eukariotycznej? Zdaniem autorów studium musiał zaistnieć incydent, w którym jedna komórka znalazła się wewnątrz drugiej. Musiało to być zjawisko nie tylko rzadkie, ale również wymagające dodatkowych okoliczności, żeby coś z tego wyszło. W większości podobnych przypadków zapewne komórki zaczynały walczyć i niszczyły się nawzajem, albo też wewnętrzna komórka stawała się pasożytem i zabijała powoli swojego gospodarza. Jednak wyjątkowy przypadek, w którym tak połączone komórki współpracowały i wspierały się nawzajem, zapoczątkował nową jakość. Większa złożoność dawała przewagę ewolucyjną, a członkowie tandemu stopniowo zaczynali się specjalizować. Wewnętrzna komórka upraszczała się, tworząc jądro i większość zbędnych genów „przelewając" na gospodarza. Bogactwo kodu genetycznego dawało lepsze możliwości przystosowania się, a pojawienie się mitochondriów dało energię na taki proces. W ciągu dwóch kolejnych miliardów lat eukarionty rozwinęły się, zróżnicowały i w postaci tak różnorodnych organizmów jak rośliny, owady i zwierzęta zdominowały ekosystem.

Naukowcy powoli zgłębiają tajemnicę powstania życia, a kolejne eksperymenty pokazują, jak mogło się ono tworzyć i powielać w środowisku podmorskich gorących źródeł. Ale angielscy uczeni pokazali, że równie dobrym środowiskiem mógł być... lód. To jak było? Gorące kominy termalne na dnie oceanów są - teoretycznie - wymarzonym miejscem na proces powstania życia. Różnice temperatur, nasycenie wieloma związkami chemicznymi, obieg wody w miniaturowych kanałach, wszystko to sprzyja bogatym i powtarzalnym reakcjom chemicznym. Zresztą już Karol Darwin myślał o miejscu powstania życia jako ciepłym źródle. Ale biolog Philipp Holliger z Laboratorium Biologii Molekularnej (Laboratory of Molecular Biology) w Cambridge, wraz ze swoim zespołem udowodnił, że reakcje replikacji zachodzą doskonale w środowisku lodu, a w każdym razie lepiej, niż w temperaturze pokojowej. Mikroskopijne spękania i kanaliki w w lodzie stanowią dobre miejsce dla procesu powstawania molekuł RNA. Podczas procesu zamarzania lód „pozbywa się" rozpuszczonych substancji, stężenie soli i zanieczyszczeń w pozostającej wodzie rośnie, obniżając jej punkt zamarzania. Pozostające w lodzie „kieszonki" z wodą mogą być do tego niezłym środowiskiem. Zespół Hollingera odtworzył takie warunki w laboratorium, umieszczając w mikroskopijnych probówkach wodę, sole, cząsteczki będące cegiełkami, z których mogło powstać życie, rybozymy - enzymy RNA mogące uruchamiać reakcje: pełen zestaw, który powinien być zdolny do powielenia samego siebie. Takie, identyczne, zestawy schładzano do różnych temperatur. Okazało się, że w testowanych lodowych probówkach rybozymy nie tylko potrafiły budować nici RNA, ale radziły sobie z tym znacznie lepiej, niż w temperaturze pokojowej. Gdy jest ciepło, reakcja toczyła się szybko, ale szybko ustawała. Natomiast w zimnych warunkach toczyła się powoli, ale zachodziła znacznie dalej, z łatwością wyprzedzając swoim zaawansowaniem ciepłą „konkurencję". Nie wszystko oczywiście jest jasne i pomimo wykazania, że reakcja taka może zachodzić w lodzie, do ukończonego procesu replikacji droga jeszcze odległa, udało się na razie doprowadzić budowę nici RNA do długości 32 cegiełek, podczas gdy pełen rybozym ma długość 190. Mimo niekompletności, wynik jest znakomity, jak uważa Pierre-Alain Monnard z University of Southern Denmark. Problem, jak zachodziły reakcje biologiczne, zanim mogły liczyć na ochronne środowisko komórki, długo trapił naukowców. Eksperyment pokazał, że takim przytulnym, bezpiecznym miejscem mogły być lodowe kanaliki. Czy mogły w nich zachodzić również inne, potrzebne reakcje i jak one wyglądały - pozostaje to polem dla następnych eksperymentów. Badania struktury mikroporów w lodzie powstającym wody o różnym zasoleniu sugerują, że lepszym środowiskiem mogła być zamarzająca słodka woda. Takie warunki istnieją na wielu planetach i księżycach, a nawet niektórych kometach naszego układu słonecznego. Jeśli rzeczywiście życie może powstawać również w lodzie, oznacza to, że może być znacznie bardziej rozpowszechnione we Wszechświecie.

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.

Zagadka powstania życia to zagadka niczym jajko czy kura? Co było najpierw replikacja czy metabolizm? Jedno potrzebuje i wynika z drugiego. Naukowcy z brytyjskiego Uniwersytetu Leeds sądzą, że odpowiedzią jest trzeci element - energia - a wczesne życie mogło czerpać ją z prostych cząstek przypominających działaniem baterie. Istnieje wiele, często wzajemnie sprzecznych, teorii na temat powstania życia na Ziemi. Żadna jednak nie potrafi przekonująco wyjaśnić jak materia nieożywiona stała się Życiem. Każda żywa komórka wymaga dostarczania energii, tę zapewnia metabolizm. Energię w żywym organizmie przenoszą szczególne cząsteczki, z których najbardziej znaną jest ATP (adenozynotrifosforan). Ciało człowieka zawiera około 250 gramów tej substancji, to ilość energii porównywalna z baterią paluszkiem. Jest ona jednak w ciągłym użyciu w komórkach ciała, uczestnicząc w regeneracji i oddychaniu komórkowym. Te są sterowane przez enzymy. Tu jednak pojawia się problem, co było pierwsze. Nie można stworzyć ATP bez enzymów, nie można stworzyć enzymów bez ATP. Może jednak pierwotnie energia była dostarczana w inny, znacznie prostszy sposób? Zdaniem dra Terry'ego Kee właśnie tak mogło być, a kluczem są proste związki zwane pirofosforynami, które chemicznie funkcjonują bardzo podobnie do ATP - również przenoszą energię. Jednak nie potrzebują do tego enzymów. Byłyby to więc swojego rodzaju akumulatory energii. Zarówno ATP, jak i pirofosforyny swoje energetyczne właściwości zawdzięczają jednemu pierwiastkowi - fosforowi. On także tworzy szkielet DNA i jest niezastąpiony w strukturze ścian komórkowych, jego rola dla życia jest więc nieoceniona. Jego powszechność i niezastąpioność sprawia, że pomysł dra Kee wydaje się prawdopodobny. Kluczowa rola fosforu w powstaniu życia czyni intrygującą inną zagadkę - skąd odpowiednia ilość wzięła się w atmosferze wczesnej Ziemi. Jedna z teorii mówi, że został przyniesiony w licznych meteorytach bombardujących jej powierzchnię - jest bowiem często znajdowany w minerałach pochodzenia kosmicznego. Kwaśne środowisko wulkaniczne młodej Ziemi mogło sprzyjać powstawaniu właśnie pirofosforynów. Ale to już zagadka geologiczna. Badania będą kontynuowane we współpracy z NASA, która zainteresowała się pomysłem.

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.

W 1953 roku Stanley Miller z Uniwersytetu w Chicago przeprowadził sławetne doświadczenie: odtworzył scenariusz, według którego na Ziemi mogło powstać życie. W jednym naczyniu miał wodę (ocean), w drugim mieszaninę gazów (atmosfera), a po połączeniu zaczął przez nie przepuszczać prąd – odpowiednik błyskawic. Po kilku dniach udało mu się uzyskać aminokwasy. Teraz jeden z jego studentów, Jeff Bada, twierdzi, że ważną rolę w tym procesie odegrały erupcje wulkanów. Podgrzewały bulion pierwotny i stanowiły ważne źródło gazów. Bada pracuje obecnie jako biolog morski na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Ostatnio przeanalizował skład 11 oryginalnych próbek z eksperymentu swojego mistrza. Chciał sprawdzić, czy za pomocą współczesnego wyposażenia da się wykryć związki wytworzone ponad 50 lat temu. Powszechnie uznaje się, że powierzchnia młodej Ziemi składała się z niewielkich wysepek wulkanicznych. Najnowsze studium Bady wskazuje, że wyładowania atmosferyczne i wulkany łącznie stanowiły zapłon dla procesu tworzenia się życia. Wierzymy, że z oryginalnego eksperymentu Millera można było wyciągnąć więcej wniosków. Odkryliśmy, że za pomocą współczesnej wersji aparatu wulkanicznego można uzyskać dużo większy wachlarz związków. Aparaturę Millera i jego próbki odkryto po śmierci naukowca w 2007 roku. Bada i jego współpracownicy, m.in. Adam Johnson z Indiana University, posłużyli się nimi. Wyodrębnili 22 aminokwasy; 10 z nich Miller uprzednio nie zidentyfikował.