Skąd się wzięło życie?

Czy piorun strzelił w zupę aminokwasów i zapoczątkował bicie „pra-serca” w „pra-organizmie”? Najpewniej nic takiego nie miało miejsca i w ogóle nie było potrzebne.

Czy piorun strzelił w zupę aminokwasów i zapoczątkował bicie „pra-serca” w „pra-organizmie”? Najpewniej nic takiego nie miało miejsca i w ogóle nie było potrzebne.

Nie wiemy oczywiście jak „to” dokładnie się odbyło jednak nauka ma do zaproponowania parę dobrych hipotez.

Kilka bardzo interesujących zostało przedstawionych w „Wytworach rzeczywistości”, znakomitej książce autorstwa Iana Stewarta i Jacka Cohena.

Kluczem do ich zrozumienia jest odrzucenie mitu, że powstanie życia było nagłe. Że jakieś jedno konkretne zdarzenie (np. właśnie ten mityczny strzał pioruna) wyzwoliło to „tykanie”. Nie było życia i nagle jest życie.

Tymczasem, wg cytowanych wyżej autorów, życie powstawało stopniowo z „nie-życia”.

Zanim jednak nakreślimy jak to możliwe odpowiedzmy na pytanie:

Czym właściwie jest życie?

Kilka bardzo użytecznych stwierdzeń można znaleźć w Wikipedii, oczywiście pod hasłem „życie”:

„Życie…: zespół tzw. procesów życiowych - … przemian fizycznych i reakcji chemicznych, zachodzących w swoistych, wysoko zorganizowanych…, otwartych termodynamicznie i względnie odosobnionych (wyodrębnionych z otoczenia) układach fizycznych…”

„życie to: zespół wzajemnie się podtrzymujących procesów metabolicznych zachodzących w organizmie żywym lub jego poszczególnych częściach. Istotną cechą życia … jest zdolność organizmów żywych do utrzymania wyższego poziomu uporządkowania, a więc niższej entropii niż otoczenie, kosztem zużycia energii.”

„Najważniejszą cechą życia jest ciągła wymiana materii i energii między żywym organizmem a jego otoczeniem … oraz zdolność do replikacji, powielania się, czy też rozmnażania i dziedziczenia cech.”

A więc podsumowując, obiekt jest żywy gdy:

jest wyodrębniony od otoczenia oraz
posiada zdolność replikacji (tworzenia identycznych kopii) bądź rozmnażania połączonego z dziedziczeniem cech (tworzenie kopii „bardzo podobnych”, ale nie identycznych) oraz
pobiera energię z otoczenia (nieważne w jakiej postaci).

Parę słów o dziedziczeniu

Miażdżąca większość organizmów żyjących na Ziemi do dziedziczenia wykorzystuje DNA, podwójną nić, która zawiera informacje genetyczne. W wyniku podziału powstają dwie nici, z których każda zawiera niemal identyczny zestaw informacji. W wyniku błędów przy rozdzielaniu podwójnej helisy informacje w rozdzielonych niciach nie są identyczne z zestawem informacji w DNA „rodzica” co wspiera ewolucję.

Zanim wyewoluowała DNA jej funkcję pełniła prostsza cząsteczka – RNA.

Oddajmy głos Stewartowi i Cohenowi:

„Proces umożliwiający replikację DNA jest … autokatalitycznym cyklem rekurencyjnym, z tym, że tutaj katalizuje się cały zbiór cząsteczek. DNA zawiera informacje definiujące, przeznaczone dla cząsteczek zespołu wspomagającego. Zespół wspomagający pomaga DNA w replikacji, a DNA bierze udział w replikowaniu swojego zespołu wspomagającego”

Dla porządku przypomnijmy, że kataliza to inicjowanie, wspomaganie lub przyśpieszanie reakcji chemicznych przez udział katalizatora, który sam nie ulega trwałym przekształceniom (nie zużywa się).

Rekurencja to z kolei proces, którego kolejny cykl jest wywoływany przez poprzedni cykl. Rozpoczęcie procesu nie ma charakteru rekurencyjnego. Jeżeli mówimy o cyklach reakcji chemiczno-fizycznych to początek może dać zupełnie inna reakcja chemiczno-fizyczna lub zdarzenie zewnętrzne. Raz rozpoczęty proces rekurencyjny sam się podtrzymuje o ile istnieją do tego warunki.

Jak to się mogło stać?

Wróćmy teraz do scenariuszy nakreślonych przez Stewarta i Cohena (z trzech przedstawionych przez autorów opiszę dwa, które bardziej przypadły mi do gustu:-).

W pierwszym pra-początek jest oparty o glinę. Glina to mieszanina wielu pierwiastków, która może tworzyć długie struktury o skomplikowanych kształtach. Ponadto, może krystalizować się a kryształy te mogą rozpadać się na mniejsze kawałki, ale zachowujące kształt „oryginału”. Jak piszą Stewart i Cohen:

„Gdy jakieś zewnętrzne wydarzenie powoduje rozpad kryształu, to każdy jego kawałek może stać się szablonem do dalszego wzrostu, a więc owe formy gliny mogą podlegać replikacji. Mogą nawet konkurować ze sobą, ponieważ niektóre z tych kształtów lepiej wyciągają z roztworu pewne konkretne substancje.”

I mamy podział na odrębne obiekty z zachowaniem kształtu.

A jeśli chodzi o dziedziczenie cech:

„…związki węgla w naturalny sposób przywierają do powierzchni kryształów gliny i katalizują reakcje organiczne. W szczególności związki te katalizują procesy polimeryzacji, w których cząsteczki tego samego rodzaju, dodając się do siebie, tworzą długie łańcuchy i inne struktury. Dzięki takiemu procesowi aminokwasy mogły stać się białkami, a proste zasady mogły łączyć, tworząc RNA i DNA.”

Kropkę nad i postawił James Ferris z Rensselaer Polytechnic Institute, który wykazał eksperymentalnie realność drugiej części ww. scenariusza. Po dodaniu do zupy chemicznej odpowiadającej środowisku pierwotnemu montmorylonitu (rodzaju gliny) zaobserwował na jego powierzchni długie łańcuchy RNA.

http://exploringorigins.org/nucleicacids.html

Drugi możliwy scenariusz jest oparty o tłuszcze.

Lipidy to grupa licznie występujących w naturze związków chemicznych, do których zaliczają się między innymi właśnie tłuszcze. Cząstki lipidowe mają kształt kijanek, przy czym grubsza część („głowa”) jest przyciągana przez cząsteczki wody a cieńsza („ogon”) odpychana.

Bardzo istotną cechą jest również to, że cząstki lipidowe w pewnym sensie „lgną do siebie”.

W efekcie, w środowisku wodnym tworzą się, zupełnie naturalnie, dwie przylegające do siebie warstwy cząstek lipidowych, jedna warstwa (dolna) jest zwrócona głowami do dołu a ogonami do góry, a druga warstwa (górna) głowami do góry a ogonami do dołu. Z tych warstw tworzą się „błony” oddzielające warstwy wody.

Błony te mogą spontanicznie zamykać się w formie kapsułek, do wnętrza których mogą przenikać niektóre związki chemiczne.

Może się zdarzyć, że wśród cząsteczek zamkniętych wewnątrz takiej kapsułki znajdą się cząsteczki, które w sprzyjających warunkach utworzą sieć autokatalityczną. Sieć autokatalityczna to zbiór cząstek, z których jedna część jest katalizowana przez drugą część.

Taka sieć autokatalityczna zasilana składnikami dyfundującymi do środka kapsułki lipidowej będzie się powiększała zwiększając rozmiary kapsułki. W pewnym momencie kapsułka będzie miała skłonność do rozpadania się na mniejsze kapsułki, z których każda będzie miała zespół chemiczny konieczny do kontynuowania procesu.

I włala - mamy zaczątek, wyodrębniony byt z prymitywną „maszynerią” replikacji lub rozmnażania połączonego z dziedziczeniem cech. Oczywiście bardzo daleko stąd jeszcze do komórki jaką znamy, wyposażonej w błonę komórkową, jądro komórkowe czy mitochondrium. Ale dalej to już tylko kwestia ewolucji. A my mówimy o początku początków, kiedy życie powoli powstawało z „nie-życia”.

Czyżbyśmy zatem powstali z gliny lub tłuszczu? A może była to kombinacja obu albo jeszcze coś innego. Osobiście, bardzo przemawia do mnie koncepcja oparta o lipidy a to dlatego, że widać wyraźny związek z budową komórek, przecież głównym składnikiem ich ścianek (błon komórkowych) są właśnie lipidy.

Powyższe scenariusze (tutaj przedstawione w maksymalnym uroszczeniu) wskazują jak to się mogło odbyć, ale oczywiście nie musiało. Istotne jest to, że życie powoli mogło wyłonić się z nie-życia w drodze wyłącznie naturalnych procesów chemicznych.

Dlaczego się pojawiło? Bo musiało.

Powstanie takiego oddzielonego od otoczenia bytu, proto-organizmu posiadającego możliwość rozmnażania z dziedziczeniem cech z pewnością jest bardzo mało prawdopodobne. Powiedzmy, że na takiej planecie jak Ziemia wystąpi raz na tysiąc lat. Albo nawet raz na sto tysięcy lat. To już wystarczy. Przecież wymagane warunki, w tym m.in woda w stanie ciekłym, istniały na Ziemi przez miliony lat.

A jeżeli mówimy już o setkach milionów czy miliardach lat to tego typu wydarzenia po prostu musiały się pojawiać.

Dla mnie wniosek jest oczywisty – życie pojawia się wszędzie gdzie przez odpowiednio długi czas istnieją sprzyjające warunki (woda w stanie ciekłym i pływające w niej różne związki organiczne). I jest to wręcz nieuniknione.

Idąc dalej można wysnuć wniosek, że życie nie jest żadnym niezwykłym czy rzadkim przypadkiem, ale wręcz przeciwnie - ono jest imperatywem.

Nie jest wyjątkiem lecz zasadą.

W tym miejscu łatwo też odpowiedzieć na pytanie dlaczego próby odtworzenia pełnego procesu powstania życia w warunkach laboratoryjnych nie powiodły się. Przecież one są skazane na niepowodzenie jeżeli trzeba tysięcy a może nawet milionów lat czekania.

I żadne przepuszczanie prądu przez zupę aminokwasów nic tu nie pomoże.

Oczywiście istnieją też inne hipotezy pojawienia się życia na Ziemi.

Jedną z nich jest kreacjonizm (nie będę się o niej wypowiadał bo z oczywistych powodów nie jest to hipoteza naukowa).

Inna, kosmiczna panspermia, zakłada, że życie zostało przywleczone na Ziemię z kosmosu np. przez meteory. Jednak zauważmy, że przyjęcie kosmicznej panspermii jedynie przesuwa pytanie w inny obszar geograficzny. Jeżeli życie zostało przywleczone na Ziemię to w oczywisty sposób pojawia się pytanie jak powstało życie w kosmosie. Zresztą, biorąc pod uwagę, że tak wiele pierwiastków, z których jesteśmy zbudowani powstały we wnętrzu gwiazd można stwierdzić, że w pewnym sensie rzeczywiście jesteśmy kosmitami:-).

A teraz podsumujmy:

Żyjemy we wszechświecie, w którym atomy mają tendencję do łączenia się z innymi atomami w efekcie czego powstają cząstki chemiczne. Niektóre cząstki są bardzo skomplikowane. Niektóre cząstki przyciągają się a inne odpychają. Niektóre związki chemiczne inicjują, wspierają i/lub przyśpieszają reakcje chemiczne samemu się nie zużywając – to katalizatory.

W gwiazdach powstają różne pierwiastki (w tym kluczowy – węgiel tworzący długie, skomplikowane i trwałe struktury) i są potem rozsiewane w przestrzeni kosmicznej w wybuchach supernowych.

A nade wszystko atomy wodoru łączą się z atomami tlenu tworząc wodę, która w temperaturze od 0 do 100 stopni Celsjusza ma postać płynną tworząc środowisko dla innych związków chemicznych.

Tyle wystarcza aby życie pojawiło się w wyniku procesów całkowicie naturalnych. Aha, jeszcze jedno – oczywiście trzeba na to trochę czasu.

Posceptyk

W serii artykułów próbuję opisać co nauka ma do powiedzenia w następujących kwestiach: