Radikaliai nauja teorija perrašo gyvybės Žemėje pradžią

Prieš 4,5 milijardus metų susiformavusi Žemė buvo meteoritų daužomas ir lavą spjaudančiais ugnikalniais nusagstytas sterilus uolienos rutulys. Per milijardą metų jame apsigyveno mikroorganizmai. Dabar gyvybė knibžda kiekviename planetos centimetre, nuo aukščiausių kalnų iki giliausių įdubų. Tačiau visos kitos Saulės sistemos planetos atrodo negyvos. Kas nutiko mūsų jaunoje planetoje? Kaip jos dykos uolos, smėlis ir cheminės medžiagos sukūrė gyvybę?

Gyvybės pradžios klausimui paaiškinti iškelta daug idėjų. Dauguma remiasi prielaida, kad ląstelės yra pernelyg sudėtingi dariniai, kad susiformuotų iš karto, taigi, gyvybę turėjo prasidėti nuo vieno išlikusio komponento, kuriam kažkaip pavyko apie save sukurti visus kitus. Tačiau bandant šias idėjas patikrinti laboratorijoje, nieko ypatingai primenančio gyvybę gauti nepavyksta. Tai, kai kurių mokslininkų nuomone, primena bandymą sukurti automobilį, pagaminus važiuoklę, uždėjus ratus ir tikintis, kad spontaniškai atsiras variklis.

Alternatyva – kad gyvybė atsirado iškart galutinai susiformavusi – atrodo dar mažiau tikėtina. Tačiau, kaip bebūtų keista, dvi įrodymų sekos rodo, kad būtent taip ir nutiko. Pasirodo, kad visos esminės gyvybės molekulės gali susidaryti iš to pačios anglies chemijos. Negana to, jos nesunkiai jungiasi į stulbinamai gyvas „protoląsteles“. Ši „viskas-iš-karto“ idėja ne tik gyvybė pradžią, bet ir vietą, o taip pat ir labiausiai tikėtinas nežemiškos gyvybės vietas.

Gyvybės radimosi supratimą apsunkina tai, kad nežinome, kaip toji pirma gyvybė atrodė. Seniausioms pripažįstamoms fosilijoms 3,5 milijardai metų, bet iš jų menka nauda. Jos rastos senovinėse uolienų formacijose Vakarų Australijoje, vadinamuose stromatolituose ir yra vienaląsčiai mikroorganizmai, kaip ir šiuolaikinės bakterijos, Jos gan sudėtingos: net paprasčiausios šiuolaikinės bakterijos turi daugiau nei 100 genų. Pirmieji organizmai turėjo būti paprastesni. Virusai turi mažiau genų, tačiau gali daugintis tik užkrėsdami ląsteles ir jas užvaldydami, tad, negalėjo būti pirmieji.

Asketiškiausias rinkinys

Kadangi fizinių įrodymų nėra, genezės tyrėjai kelia du klausimus. Koks fundamentaliausias gyvybę apibrėžiantis procesas? Ir kokios cheminės medžiagos šiame procese dalyvauja? Štai kokie atsakymai.

Iš esmės, gyvybę galima supaprastinti iki trijų pagrindinių sistemų. Pirma, ji struktūriškai integrali: tai yra, kiekviena ląstelė turi ją gaubiančią išorinę membraną. Antra, gyvybei reikia metabolizmo, iš aplinkos energiją išgaunančio cheminių reakcijų rinkinio. Ir galiausiai, gyvybė gali daugintis, naudodama genus, kuriuose yra palikuoniams perduodamos ląstelių kūrimo instrukcijos.

Biochemikai žino ir šiuos procesus atliekančius cheminius junginius. Ląstelių membranos yra iš ilgas anglies atomų grandines turinčių lipidų. Metabolizmą vykdo baltymai – aminorūgščių grandinės, susuktos kaip riestainiai – ypač tai pasakytina apie fermentus, katalizuojančius, spartinančius chemines reakcijas. O genai užkoduoti neukleininių rūgščių molekulėse, tokiose, kaip deoksiribonukleininė rūgštis, geriau žinoma ne taip liežuvį laužančiu DNR pavadinimu.

Toliau reikalai ne tokie paprasti. Trys esminiai gyvybės procesai yra tarpusavyje susiję. Genuose yra baltymų gaminimo instrukcijos, o tai reiškia, kad baltymai egzistuoja tik dėl to, kad egzistuoja genai. O genų pagaminti baltymai gyvybiškai svarbūs membranų lipidų konstravimui. Visose gyvybės kilmės aiškinimo hipotezėse į tai būtina atsižvelgti. Visgi, tarus, kad genams, metabolizmui ir membranoms atsirasti vienu metu menkai tikėtina, viena iš šių procesų turėjo rastis pirmas ir „išrasti“ kitus.

Anksčiau vairuotojo kėdėje bandyta pasodinti baltymus. Šeštajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje biochemikas Sidney Fox atrado, kad kaitinant aminorūgštis, šios susikabina į grandines. Kitaip tariant, jos formavo baltymus nors ir iš atsitiktinių aminorūgščių sekų, o ne genetiniu kodu nurodytų. Foxas pavadino juo „proteinoidais“ ir atrado, kad jie gali formuoti ląsteles primenančias sferas ir katalizuoti chemines reakcijas. Tačiau toliau proteinoidai nepasistūmėdavo. Kai kurie tyrėjai paprastuose baltymuose vis dar įžvelgia gyvybę primenantį elgesį, bet idėja, kad patys vieni baltymai pradėjo gyvybę, dabar iš esmės atmetama.

Vėliau tyrėjai dėmesį sutelkė į RNR pasaulį. Panašiai kaip DNR, RNR (ribonukleininė rūgštis) perneša genus. Atradus, kad kai kurios RNR taip pat gali ir katalizuoti chemines reakcijas, pametėjo mintį, kad pirmosios RNR molekulės galėjo atlikti ir fermentų vaidmenį, kurie dar ir galėjo save kopijuoti ir taip pradėti gyvybę. Tačiau biochemikai ne vieną dešimtmetį praleido, nesėkmingai mėgindami įtikinti RNR save susirinkti ar kopijuoti laboratorinėmis sąlygomis, ir dabar sutaria, kad nė vieno iš šių veiksmų be didelės pagalbos atlikti nepavyktų.

Tada gal pirmosios buvo membranos? Šią idėją iškėlė Davidas Deameris iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze. Aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje jo komanda atrado, kad ląstelių membranose esantys lipidai gali būti sukurti, vandenyje sumaišius dvi paprastas chemines medžiagas, cianamidą ir gliceriną ir pakaitinus mišinį iki 65°C. Paskui atsidūrę sūriame vandenyje ir papurtyti, jie suformavo sferinius burbuliukus, išorėje dengiamus dvigubo lipidų sluoksnio, visai kaip ląstelės. „Paprasčiausia funkcija yra membranų susirinkimas. Tai vyksta spontaniškai, sako Deameris. Visgi, jis pripažįsta, kad vien to nėra gana, kadangi lipidai negali pernešti genų ar formuoti fermentų.

Šių paprastų gyvybės atsiradimo modelių trūkumai paskatino Deamerį ir kitus nagrinėti, atrodytų, menkiau tikėtiną alternatyvą, kad visos trys sistemos sistemos radosi kartu, tegul ir labai supaprastintos formos.

Tai nėra nauja idėja. 1971 metais vengrų biochemikas Tibor Gánti parašė knygą, kurioje pavaizdavo paprasčiausią objektą, kurį biologai laikytų gyvu. Jo „chemotonas“ vykdė paprasčiausią fermentais paremtą metabolizmą, kuris gamino genus ir membraną. Kai genai nukopijuodavo save, jie išskirdavo pašalinį produktą, kuris atsidurdavo membranoje ir priversdavo chematoną augti ir galiausia dalintis. Gánti idėja pripažinimo sulaukė tik šio amžiaus pradžioje, tačiau tuo metu panašius atradimus nepriklausomai atliko ir kitos grupės. Dabar „viskas nuo pat pradžių“ hipotezė ima įsibėgėti.

Pirmoji paramos linija – iš trijų pagrindinių gyvybės sistemų biochemijos. Nukleininės rūgštys chemiškai labai skiriasi nuo baltymų, kurie savo ruožtu menkai kuo panašūs į lipidus. Tad, dar neseniai biochemikai darė prielaidą, kad šiems trims gyvybės komponentams susiformuoti toje pačioje vietoje iš tų pačių žaliavų yra menkai tikėtina. Regis, ši prielaida buvo neteisinga.

Ankstyviausia užuomina nukrito iš dangaus, tai yra, aptikta meteorituose, daugelio kurių amžius toks, kaip ir Žemės, tad, gali paporinti, kokia ji buvo savo jaunystėje. Vienas iš labiausiai tyrinėjamų meteoritų yra Murchisono meteoritas, nukritęs Australijoje 1969 metais. 1985-ais, Deameris jame rado lipidus primenančias molekules, kurios galėjo formuoti membranas. Kiti aptiko aminorūgštis, o 2008 m., Zita Martins, tada dirbusi ICL, Murchisono meteorite identifikavo RNR komponentą. Nė vienos iš šių cheminių medžiagų nebuvo daug, bet vien jau jų egzistavimas rodė, kad jos gali formuotis drauge.

Paprasti ingredientai

Tuo tarpu Ernesto Di Mauro iš Sapienza universiteto Romoje dvidešimt metų tyrinėjo, kaip tai galėtų vykti Žemėje. Jis dėmesį sutelkė į formamidą, cheminį cianamido giminaitį, kurio molekulėje tėra šeši atomai. Jo yra visoje visatoje ir tikriausiai netrūko naujai susiformavusioje Žemėje. 2001 metais jo komanda išsiaiškino, kad pakaitinus iki 160°C ir esant tokių mineralų kaip kalkakmenis, iš formamido gali rastis keli RNR komponentai. Vėliau tyrėjai išsiaiškino, kad tam padeda toks paplitęs molio tipas kaip montmorilonitas. Be to, formamidas gali ir sudaryti aminorūgštis, baltymų statybinius blokus. „Jis kuria sudėtingus mišinius,“ sako Di Mauro.

Ir tokius triukus geba atlikti ne ne vien formamidas. Jungdamas panašų organinį junginį cianamidą su kitomis paprastomis organinėmis medžiagomis, Johnas Sutherlandas iš MRC molekulinės biologijos laboratorijos Kembridže, JK sukūrė nukleotidus, statybinius RNR blokus. Šiai reakcijai reikėjo ultravioletinės šviesos, kaitinimo ir džiovinimo, ir drėkinimo vandeniu. Sutherlando komanda išsiaiškino, kad tos pačios pradinės medžiagos gali sudaryti ir aminorūgščių bei lipidų prekursorius. „Visos ląstelės posistemės galėjo rastis tuo pat metu, iš paprastos chemijos,“ apibendrino jis. Svarbiausia yra tai, ką Sutherlandas vadina „Auksaplaukės chemija“: mišinys, kuris pakankamai įvairus, kad jame vyktų sudėtingos reakcijos, tačiau ne pernelyg, kad netaptų sujauktu jovalu.

„Svarbiausios gyvybės molekulės gali formuotis drauge dėl „Auksaplaukės chemijos”

Tad, yra būdų, kaip esminės gyvybės molekulės galėtų būti sukurtos drauge. Bet kaip jos susijungė į ląstelės juodraštį? Deameris tebeteigia, kad pirmieji lipidai spontaniškai suformavo protoląstelių membranas, tačiau dabar mano, kad šios trys molekulių grupės glaudžiai bendradarbiavo. Lipidų konteineriai padeda formuotis RNR ir baltymams bei RNR replikuotis, o RNR stabilizuoja lipidų membranas. Jei visko yra, sistema veikia geriau, sako jis.

Jackas Szostakas iš Harvardo medicinos mokyklos įspūdingai pasistengė išsiaiškinti kaip tai galėjo nutikti. Nuo 2003 metų, jo komanda kūrė ląstelių modelius su išoriniu riebalų rūgščių sluoksniu, gaubiančiu vidų, kur galėjo laikytis RNR. Tokios protoląstelės itin sparčiai formavosi, esant mažyčių montmorilonito dalelių, kurios dažnai pakliūdavo jų vidun, kartu įsinešdamos ir RNR. Kuo protoląstelė gaudavo daugiau RNR, tuo labiau ji augdavo: jos konkuruodavo. Negana to, jos galėjo dalintis į dukterines ląsteles, panašiai, kaip tai daro ir dabartinės ląstelės. „Augimas ir dalinimasis gali kilti iš paprastų fizikocheminių procesų, be jokios sudėtingos biocheminės mašinerijos,“ rašė komanda. Szostako grupė netgi įtikino RNR nukopijuoti save protoląstelėje.

Šiose protoląstelėse trūksta vienos sistemos – metabolizmo. Tai itin didelis iššūkis, nes reikia sukurti ištisą cheminių reakcijų seką. Dabartiniuose organizmuose ją kontroliuoja fermentų batalionai, tačiau gyvybei randantis, jų būti negalėjo. Tačiau kiti tyrėjai ėmė aptikti būdus cheminėms reakcijoms vykti ir be fermentų.Pasirodo, daugeliui svarbiausių reakcijų katalizuoti tinka tokie metalai, kaip geležis, dažnai susijungę su siera. O šito gėrio Žemėje niekados netrūko. Szostakas su kitais neseniai pademonstravo, kad veikiant ultravioletinei šviesai, protoląstelėse gali formuotis geležies ir sieros atomų sankaupos. Dar nėra aišku, ar protoląstelėse gali vykti metabolinės reakcijos.

Grubus prototipas

Kaip bebūtų, Szostako protoląstelės kol kas yra geriausias turimas pirmųjų gyvų organizmų modelis. Nors juose vos kelios medžiagos, jie auga, dauginasi ir turi galinčius save kopijuoti RNR „genus“. Dar per anksti tvirtinti, ar jos kilo iš Di Mauro siūlomos chemijos, ar labiau teisus Sutherlandas. Tai priklauso nuo sąlygų kuriomis radosi gyvybė, o užtikrintai to sužinoti gali taip ir nepavykti. Tačiau rankų nuleisti neverta – galimybių lauką susiaurinti gali pati chemija.

„Labiausiai tikėtina gyvybę, ar bent fosilinius jos buvimo pėdsakus, rasti Marse”

Jei viskas-iš-karto gyvybės atsiradimo idėja teisinga, tada genezė įvyko konkrečiomis sąlygomis. Dauguma Sutherlando ir Di Mauro cheminių reakcijų priklauso nuo ultravioletinės šviesos, o kai kurioms stadijoms reikia, kad būtų sausa. Tai implikuoja, kad gyvybės pradžiai reikia kieto paviršiaus, kuriame, idealiu atveju, būtų molio, tokio kaip montmorilonitas, šviesos su nemenka ultravioletinės šviesos dalimi ir kad būtų ganėtinai šilta, kad periodiškai galėtų išgaruoti vanduo. Tai, panašu, atmeta tokią populiarią idėją, kaip gyvybės susidarymas cheminių medžiagų turtingose hidroterminėse versmėse – visko-iš-karto idėjos tyrėjai mano, kad gyvybė užsimezgė cheminių medžiagų turtinguose sausumos tvenkiniuose. Sutherlandas išvystė scenarijų, kuriame vandens srovės bėga meteorito išmušto kraterio kraštais. Deameriui labiau prie širdies tvenkiniai vulkaniškai aktyviose vietose ir savo tyrimus jis nukreipia tenai. Pavyzdžiui, jis pademonstravo, kad lipidai gali suformuoti protoląsteles šiuose tvenkiniuose, tačiau ne jūros vandenyje.

„Viskas-iš-karto“ idėja ne tik padeda nustatyti, kur gyvybė atsirado Žemėje, bet ir gali nurodyti, kur jos derėtų ieškoti kitur mūsų planetų sistemoje. Biocheminiai reikalavimai atmeta du dabartinius favoritus: Jupiterio palydovą Europą ir Saturno Enceladą. Manoma, abiejuose po storu ledu yra skysto vandens okeanai. Šie vandenynai galėtų palaikyti gyvybę, jeigu ji ten atsidurtų, tačiau tai nėra perspektyvi vieta jai susidaryti. Vietoje to, labiausiai tikėtina gyvybę, ar bent fosilinius jos buvimo pėdsakus, rasti Marse. Dabar ten šalta ir paviršiuje skysto vandens nematyti, bet prieš milijardus metų ten tikriausiai tekėjo upės. Be to, jis buvo vulkaniškai aktyvus, tad, ten galėjo būti geoterminių tvenkinių, kokius dabar tiria Deameris.

Žinoma, visa tai priklauso nuo to, ar viskas-iš-karto idėja yra teisinga. Szostako protoląstelės ir naujos biocheminės įžvalgos daug tyrėjų įtikino, bet kai kurių dėlionės detalių dar trūksta. Labiausiai įtikinamas argumentas yra tai, kad paprastesnės idėjos neveikia. Kaip ir daugelis dalykų gyvenime, pradžia tikriausiai buvo sudėtingesnė, nei manėme.

Michael Marshall
www.newscientist.com

Michael Marshall yra rašytojas iš Devono, JK. Jo knyga The Genesis Quest išleista JK rugpjūčio 20, o JAV pasirodys spalio 22 d.

▲