Hogyan élte túl az első földi élet a legnagyobb fenyegetést – a vizet

Jövő év február 18-án a NASA űrszondája átzuhan a Mars légkörén, retrorakétáit kilövi, hogy megtörje zuhanását, majd leereszt egy hatkerekű, Perseverance nevű rovert a felszínre. Ha minden a tervek szerint halad, a küldetés a Jezero-kráterben fog landolni, egy 45 kilométer széles hasadékban a bolygó egyenlítője közelében, ahol egykor folyékony vízzel teli tó lehetett.

A Perseverance-nek szurkoló földlakók tömegei között John Sutherland különösen nagy figyelmet fog szentelni. Sutherland, a cambridge-i MRC Laboratory of Molecular Biology biokémikusa egyike volt azoknak a tudósoknak, akik lobbiztak a NASA-nál a Jezero-kráter meglátogatásáért, mert az megfelel az elképzeléseinek arról, hogy hol keletkezhetett az élet – a Marson és a Földön.

A leszállóhely kiválasztása tükrözi a gondolkodásmód változását azokról a kémiai lépésekről, amelyek néhány molekulából az első biológiai sejteket alakították. Bár sok tudós sokáig azt feltételezte, hogy ezek az úttörő sejtek az óceánban keletkeztek, a legújabb kutatások szerint az élet kulcsfontosságú molekulái és alapvető folyamatai csak olyan helyeken alakulhattak ki, mint a Jezero – egy viszonylag sekély, patakok által táplált víztest.

Ez azért van így, mert több tanulmány szerint az élet alapvető vegyi anyagainak kialakulásához a napfényből származó ultraibolya sugárzás szükséges, és a vizes környezetnek nagyon koncentráltnak kellett lennie, sőt időnként teljesen ki kellett száradnia. Laboratóriumi kísérletekben Sutherland és más tudósok úgy állítottak elő DNS-t, fehérjéket és a sejtek más alapvető összetevőit, hogy egyszerű szénalapú vegyi anyagokat kíméletesen felmelegítettek, UV-sugárzásnak tették ki őket, és időnként kiszárították. A kémikusoknak még nem sikerült a biológiai molekulák ilyen széles skáláját a tengervizet utánzó körülmények között szintetizálniuk.

A felmerülő bizonyítékok miatt sok kutató felhagyott azzal az elképzeléssel, hogy az élet az óceánokban alakult ki, és inkább a szárazföldi környezetre összpontosít, olyan helyekre, ahol felváltva volt nedves és száraz. A váltás aligha egyöntetű, de azok a tudósok, akik támogatják a szárazföldi kezdet gondolatát, azt mondják, hogy ez megoldást kínál egy régóta felismert paradoxonra: hogy bár a víz nélkülözhetetlen az élethez, ugyanakkor rombolja az élet alapvető összetevőit.

A felszíni tavak és tócsák rendkívül ígéretesek, mondja David Catling, a Seattle-i Washingtoni Egyetem bolygókutatója. “Az elmúlt 15 évben rengeteg olyan munkát végeztek, ami ezt az irányt támasztja alá.”

Primordiális leves

Bár az életnek nincs egységes definíciója, a legtöbb kutató egyetért abban, hogy több összetevőre van szüksége. Az egyik az információt hordozó molekulák – DNS, RNS vagy valami más. Biztosan volt mód ezeknek a molekuláris utasításoknak a másolására, bár a folyamat tökéletlen lehetett, hogy hibákat, az evolúciós változás csíráit lehetővé tegye. Továbbá az első élőlényeknek rendelkezniük kellett valamilyen módon a táplálkozáshoz és a fenntartáshoz, talán fehérjealapú enzimek segítségével. Végül pedig valami összetartotta ezeket a különböző részeket, elkülönítve őket a környezetüktől.

Amikor az 1950-es években komolyan elkezdődött az élet eredetének laboratóriumi kutatása, sok kutató azt feltételezte, hogy az élet a tengerben kezdődött, a szénalapú vegyi anyagok gazdag keverékével, amelyet őslevesnek neveztek.

Ezt az elképzelést az 1920-as években az akkori Szovjetunióban Alexander Oparin biokémikus és az Egyesült Királyságban J. B. S. Haldane genetikus egymástól függetlenül vetette fel. Mindketten úgy képzelték el a fiatal Földet, mint egy hatalmas vegyi gyárat, ahol a korai óceánok vizében szénalapú vegyi anyagok sokasága oldódott fel. Oparin úgy okoskodott, hogy egyre bonyolultabb részecskék keletkeztek, amelyek a szénhidrátokban és a fehérjékben csúcsosodtak ki: amit ő “az élet alapjának” nevezett.

1953-ban egy fiatal kutató, Stanley Miller az Illinois állambeli Chicagói Egyetemen leírt egy ma már híres kísérletet, amelyet ezen elképzelések megerősítésének tekintettek1. Egy vizet tartalmazó üveglombikot használt az óceán utánzására, és egy másik, metánt, ammóniát és hidrogént tartalmazó lombikot a korai légkör szimulálására. A lombikokat csövek kötötték össze, és egy elektróda szimulálta a villámlást. Néhány napos hevítés és áramütés elegendő volt ahhoz, hogy glicint, a legegyszerűbb aminosavat, a fehérjék alapvető alkotóelemét előállítsák. Ez sok kutató számára azt sugallta, hogy az élet az óceán felszínének közelében keletkezett.

De ma sok tudós szerint alapvető probléma van ezzel az elképzeléssel: az élet alapmolekulái vízben lebomlanak. A fehérjék és az olyan nukleinsavak, mint a DNS és az RNS ugyanis sérülékenyek az illesztéseiknél. A fehérjék aminosavak láncaiból, a nukleinsavak pedig nukleotidok láncaiból állnak. Ha a láncok vízbe kerülnek, az megtámadja a láncszemeket, és végül elszakítja őket. A szénkémiában “a víz olyan ellenség, amelyet a lehető legszigorúbban ki kell zárni” – írta a néhai Robert Shapiro biokémikus 1986-ban megjelent totemisztikus Origins című könyvében, amely kritikával illette az ősóceán-hipotézist2.

Ez a vízparadoxon. Ma a sejtek úgy oldják meg, hogy korlátozzák a víz szabad mozgását a belsejükben, mondja Kate Adamala szintetikus biológus a minneapolisi Minnesotai Egyetemen. Emiatt a citoplazmáról – a sejt belsejében lévő anyagról – alkotott népszerű képek gyakran tévesek. “Azt tanítják nekünk, hogy a citoplazma csak egy zsák, amiben minden benne van, és minden ott úszkál” – teszi hozzá. “Ez nem igaz, a sejtekben minden hihetetlenül állványozott, és egy gélben van állványozva, nem pedig egy víztasakban.”

Ha az élőlények a vizet tartják kordában, akkor a következmény, sok kutató szerint, nyilvánvaló. Az élet valószínűleg a szárazföldön alakult ki, ahol a víz csak időszakosan volt jelen.”

Szárazföldi kezdet

Az elképzelés mellett szóló legfontosabb bizonyítékok egy része 2009-ben merült fel, amikor Sutherland bejelentette, hogy csapatával sikeresen előállított kettőt az RNS3-at alkotó négy nukleotidból. Foszfátból és négy egyszerű szénalapú vegyszerből, köztük egy cianid-sóból, a cianamidból indultak ki. A vegyszereket végig vízben oldották, de nagy koncentrációban, és a döntő lépésekhez UV-sugárzásra volt szükség. Az ilyen reakciók nem mehetnének végbe az óceán mélyén – csak egy napfénynek kitett kis medencében vagy patakban, ahol a vegyi anyagokat koncentrálni lehetne, mondja.

Sutherland csapata azóta kimutatta, hogy ugyanazokkal az indító vegyszerekkel, ha finoman eltérően kezelik őket, fehérjék és lipidek előanyagai is előállíthatók4. A kutatók szerint ezek a reakciók akkor játszódhattak le, ha a cianid-sókat tartalmazó vizet a Nap kiszárította, és egy száraz, cianiddal kapcsolatos vegyületekből álló réteget hagyott maga után, amelyet aztán mondjuk geotermikus aktivitással felmelegítettek. Az elmúlt évben csapata a DNS építőköveit állította elő – amit korábban valószínűtlennek gondoltak – a napfényből származó energia és néhány ugyanilyen vegyi anyag nagy koncentrációban történő felhasználásával5.

Ezt a megközelítést Moran Frenkel-Pinter biokémikus az NSF-NASA Center for Chemical Evolution atlantai (Georgia) központjában és munkatársai kiterjesztették. Tavaly kimutatták, hogy az aminosavak spontán módon fehérjeszerű láncokká kapcsolódnak össze, ha kiszárítják őket6. És az ilyen reakciók nagyobb valószínűséggel következtek be a fehérjékben ma megtalálható 20 aminosavval, mint más aminosavakkal. Ez azt jelenti, hogy az időszakos szárítás segíthet megmagyarázni, hogy az élet miért csak ezeket az aminosavakat használja a több száz lehetőség közül. “Szelekciót láttunk a mai aminosavakra” – mondja Frenkel-Pinter.

Nedves és száraz

A szakaszos kiszárítás is segíthet abban, hogy ezek a molekuláris építőelemek összetettebb, életszerű szerkezetekké álljanak össze.

Egy klasszikus kísérletet ebben az irányban 1982-ben publikáltak David Deamer és Gail Barchfeld kutatók, akkor a Davis-i Kaliforniai Egyetemen7. Céljuk az volt, hogy tanulmányozzák, hogyan szerveződnek önszerveződően a lipidek, a hosszú láncú molekulák egy másik osztálya, hogy kialakítsák a sejteket körülvevő membránokat. Először vezikulákat készítettek: gömb alakú pacákat, amelyeknek vizes magját két lipidréteg veszi körül. Ezután a kutatók megszárították a vezikulákat, és a lipidek többrétegű struktúrává szerveződtek, mint egy rakás palacsinta. A korábban a vízben lebegő DNS-szálak a rétegek közé szorultak. Amikor a kutatók ismét vizet adtak hozzá, a vezikulák újjáalakultak – a bennük lévő DNS-szel. Ez egy lépés volt az egyszerű sejt felé.

“Ezek a nedves-száraz ciklusok mindenütt jelen vannak” – mondja Deamer, aki jelenleg a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetemen dolgozik. “Ez olyan egyszerű, mint az esővíz elpárolgása a nedves sziklákon.” De amikor biológiai vegyi anyagokra, például lipidekre alkalmazzák őket, szerinte figyelemre méltó dolgok történnek.

Egy 2008-as tanulmányban Deamer és csapata nukleotidokat és lipideket kevert össze vízzel, majd nedves-száraz ciklusoknak vetette alá őket. Amikor a lipidek rétegeket képeztek, a nukleotidok RNS-szerű láncokká kapcsolódtak össze – ez a reakció vízben segítség nélkül nem történne meg8.

Más vizsgálatok egy másik tényezőre mutatnak rá, amely az élet keletkezésének kulcsszereplőjének tűnik: a fényre. Ez az egyik következtetés, amely Jack Szostak szintetikus biológus csapatától származik a bostoni Massachusetts General Hospitalban, amely “protocellákkal” dolgozik – a sejtek egyszerű változataival, amelyek egy maroknyi vegyi anyagot tartalmaznak, de képesek növekedni, versenyezni és szaporodni. A protocellák életszerűbb viselkedést mutatnak, ha a szárazföldiekhez hasonló körülményeknek vannak kitéve. Egy tanulmány, amelynek Adamala társszerzője volt, megállapította, hogy a protocellák képesek a fény energiáját felhasználni az osztódáshoz, a szaporodás egy egyszerű formájaként9. Hasonlóképpen Claudia Bonfio, aki jelenleg szintén az MRC molekuláris biológiai laboratóriumában dolgozik, és kollégái 2017-ben kimutatták, hogy az UV-sugárzás a vas-kén-klaszterek szintézisét10 irányítja, amelyek számos fehérje számára létfontosságúak. Ezek közé tartoznak az elektrontranszportláncban lévők is, amely az energiatároló molekula, az ATP szintézisének irányításával segíti az összes élő sejt energiaellátását. A vas-kén klaszterek szétesnének, ha víznek lennének kitéve, de Bonfio csapata úgy találta, hogy stabilabbak, ha a klasztereket 3-12 aminosav hosszúságú egyszerű peptidek veszik körül.

Víz, de nem túl sok

Az ilyen vizsgálatok lendületet adtak annak az elképzelésnek, hogy az élet egy jól megvilágított, korlátozott mennyiségű vízzel rendelkező felszínen kezdődött. Azonban még mindig vita van arról, hogy mennyi vízről volt szó, és milyen szerepet játszott az élet elindításában.

Deamerhez hasonlóan Frenkel-Pinter is amellett érvel, hogy a nedves-száraz ciklusok döntő szerepet játszottak. Szerinte a száraz körülmények lehetőséget biztosítottak az olyan láncmolekulák, mint a fehérjék és az RNS kialakulására.

De az RNS és más molekulák egyszerű előállítása még nem élet. Egy önfenntartó, dinamikus rendszernek kell kialakulnia. Frenkel-Pinter azt sugallja, hogy a víz romboló ereje segíthetett ennek kialakulásában. Ahogy a zsákmányállatok a gyorsabb futásra vagy a méreganyagok kiválasztására fejlődtek, hogy túléljék a ragadozókat, az első biológiai molekulák is úgy fejlődhettek, hogy megbirkózzanak a víz kémiai támadásaival – sőt, akár a víz reakcióképességét is hasznosítani tudták.

A Frenkel-Pinter csoport idén folytatta korábbi tanulmányát6 , amely kimutatta, hogy a szárítás hatására az aminosavak spontán módon összekapcsolódnak. A csapat megállapította, hogy protoproteinjeik képesek kölcsönhatásba lépni az RNS-szel, és ennek következtében mindkettő stabilabbá vált vízben11. A víz tulajdonképpen szelekciós nyomásként hatott: csak azok a molekulakombinációk maradtak fenn a vízben, amelyek képesek voltak túlélni, mert a többiek elpusztultak.

Az elképzelés szerint a nedvesítés minden egyes ciklusával a gyengébb molekulák, vagy azok, amelyek nem tudták magukat másokhoz kötődve megvédeni, elpusztultak. Bonfio és csapata ezt egy idei tanulmányban12 mutatta ki, amelyben egyszerű zsírsavakat próbáltak átalakítani olyan összetettebb lipidekké, amelyek hasonlítanak a modern sejtmembránokban találhatóakra. A kutatók lipidek keverékeit hozták létre, és azt találták, hogy az egyszerűbbeket a víz elpusztította, míg a nagyobb, összetettebb lipidek felhalmozódtak. “Egy bizonyos ponton elég lett volna ezekből a lipidekből ahhoz, hogy membránokat képezzenek” – mondja. Más szóval, létezhet egy Goldilocks vízmennyiség: nem olyan sok, hogy a biológiai molekulák túl gyorsan elpusztuljanak, de nem is olyan kevés, hogy semmi ne változzon.”

Meleg kis tavak

Hol történhetett mindez? Ebben a kérdésben generációs szakadék húzódik a szakmában. Sok idősebb kutató elkötelezett az egyik vagy másik forgatókönyv mellett, míg a fiatalabb kutatók gyakran azt állítják, hogy a kérdés teljesen nyitott.

A nyílt óceán életképtelen, mondja Frenkel-Pinter, mert a vegyi anyagok nem tudnak koncentrálódni. “Ez tényleg probléma” – ért egyet Bonfio.

Egy alternatív tengeri elképzelést az 1980-as évek óta Michael Russell geológus, egy független kutató, aki korábban a kaliforniai Pasadenában található Jet Propulsion Laboratory munkatársa volt. Russell azt állítja, hogy az élet a tengerfenéken lévő nyílásokban kezdődött, ahol meleg lúgos víz szivárog fel az alatta lévő geológiai képződményekből. A meleg víz és a kőzetek közötti kölcsönhatás kémiai energiát szolgáltatna, amely először egyszerű anyagcsere-ciklusokat hajtana, amelyek később olyan vegyi anyagokat kezdenének el előállítani és felhasználni, mint az RNS.

Russell kritikusan viszonyul Sutherland megközelítéséhez. “Ő a kémia minden fantasztikus darabkáját végzi” – mondja, de Russell számára ezek közül egyik sem releváns. Ez azért van, mert a modern organizmusok teljesen más kémiai folyamatokat használnak az olyan anyagok előállítására, mint az RNS. Szerinte ezeknek a folyamatoknak kellett először kialakulniuk, nem pedig maguknak az anyagoknak. “Az élet nagyon különleges molekulákat választ ki. De nem lehet őket a padról kiválasztani. A semmiből kell előállítani őket, és az élet ezt teszi.”

Sutherland azt állítja, hogy miután az RNS, a fehérjék és így tovább kialakultak, az evolúció átvette az irányítást, és lehetővé tette az ősorganizmusok számára, hogy új módszereket találjanak arra, hogyan állítsák elő ezeket a molekulákat, és így tartsák fenn magukat.

Eközben sok kutató szkeptikusan nyilatkozott Russell lúgos-ventillátoros hipotéziséről, azzal érvelve, hogy annak nincs kísérleti alátámasztása.

Ezzel szemben a felszíni körülményeket szimuláló kémiai kísérletek során a nukleinsavak, fehérjék és lipidek építőköveit készítették el. “Semmi ilyen szintézis nem létezik ebben a mélytengeri hidrotermális vent hipotézisben. Egyszerűen csak nem végezték el, és valószínűleg azért, mert nem lehet elvégezni” – mondja Catling.

Frenkel-Pinter szintén kritikusan áll a szellőzők ötletéhez, mert a molekulák, amelyekkel ő dolgozik, nem élnének túl sokáig ilyen körülmények között. “Ezeknek a protopeptideknek a képződése nem igazán kompatibilis a hidrotermális forrásokkal” – mondja Frenkel-Pinter.

Májusban Martina Preiner geokémikus, a németországi Düsseldorfi Egyetem posztdoktora és kollégái javasoltak egy lehetséges megoldást. Azzal érvel, hogy a hidrotermális források alatti kőzetekben a hő és a kémiai reakciók megkötik a vízmolekulákat, vagy szétbontják őket – száraz tereket hozva létre13. “Vannak kőzet-víz kölcsönhatások, amelyek bizonyos mértékig megszabadítanak a víztől” – mondja. Időnként több tengervíz szivárog be, ami “egyfajta nedves-száraz ciklust” eredményez. Ennek sokkal alkalmasabbá kellene tennie a mélytengeri kőzeteket a kulcsfontosságú molekulák kialakulására – állítja Preiner, bár elismeri, hogy ez még mindig csak egy hipotézis. “Természetesen még mindig el kell végezni a megfelelő kísérleteket annak bizonyítására, hogy ez bizonyos reakciókat képes végrehajtani.”

Ez a bizonyíték azonban jelenleg nem létezik. Eközben egyre több kísérleti támaszt kap az az elképzelés, hogy az élet a szárazföldön lévő kis víztömegekben kezdődött.

Sutherland egy meteoritbecsapódás kráterét részesíti előnyben, amelyet a Nap és a becsapódás maradék energiája melegített fel, és amelynek lejtős oldalain több vízfolyás futott le, és végül az alján egy medencében találkozott. Ez egy összetett, 3D-s környezet lett volna, katalizátorként működő ásványi felszínekkel, ahol a szénalapú vegyi anyagok felváltva oldódhattak fel a vízben és száradhattak ki a Napban. “Bizonyos fokú biztonsággal kijelenthetjük, hogy a felszínen kell lennünk, nem lehetünk az óceán mélyén vagy 10 kilométer mélyen a kéregben” – mondja Sutherland. “Akkor foszfátra és vasra van szükségünk. Ezek közül sok mindent nagyon könnyen szállíthatnak a vas-nikkel meteoritok.” A becsapódási forgatókönyvnek van egy további előnye: a meteoritbecsapódások sokkolják a légkört, ami cianidot termel, mondja Sutherland.

Deamer már régóta egy másik felvetést támogat: vulkanikus forró források. Egy idei tanulmányban ő és kollégája, Bruce Damer amellett érveltek, hogy a lipidek protocellákat képeztek volna a forró vizekben14 , ahogyan azt korábbi kísérletei jelezték. A nedves-száraz ciklusok a medencék peremén a nukleinsavak, például az RNS kialakulását és másolását is elősegíthették.

Deamer több kísérletet is végzett modern vulkanikus forró forrásokban, hogy tesztelje elképzeléseit. Csapata 2018-ban kimutatta, hogy a hóforrások vizében15 hólyagocskák képződhetnek, és akár nukleinsavakat is magukba zárhatnak – tengervízben azonban nem alakulnak ki. Egy tavalyi utóvizsgálat megállapította, hogy amikor a keletkezett hólyagocskákat megszárították, a nukleotidok RNS-szerű szálakká kapcsolódtak össze16.

Az élet kezdetének helyének leszűkítéséhez a prebiotikus kémia tágabb képének megértésére lesz szükség: hogyan illeszkedik egymáshoz a sok reakció, és milyen körülmények között játszódnak le. Ezzel a mamutfeladattal próbálkozik egy Sara Szymkuć kémikus, az indianai Highlandben működő Allchemy nevű start-up cég elnöke által vezetett csoport. A csoport szeptemberben átfogó tanulmányt tett közzé, amely számítógépes algoritmus segítségével feltárta, hogy az ismert prebiotikus reakciók hatalmas hálózata hogyan hozhatta létre a mai életben használt számos biológiai molekulát17.

A hálózat nagymértékben redundáns volt, így a kulcsfontosságú biológiai vegyületek akkor is kialakulhattak, ha több reakció blokkolva volt. Ezért Szymkuć amellett érvel, hogy túl korai lenne kizárni bármelyik forgatókönyvet az élet keletkezésének helyére vonatkozóan. Ehhez különböző környezetek szisztematikus tesztelésére lesz szükség, hogy kiderüljön, mely reakciók hol játszódnak le.

A Földön túl

Ha a Sutherlandéhoz hasonló kísérletek valóban megmutatják az utat ahhoz, hogyan kezdődött az élet a Földön, akkor segíthetnek annak feltárásában is, hogy hol kezdődhetett az élet máshol a kozmoszban.

A Mars vonzotta a legnagyobb figyelmet, mert egyértelmű bizonyítékok vannak arra, hogy egykor folyékony víz volt a felszínén. A NASA Perseverance roverének leszállóhelyét, a Jezero-krátert részben azért választották ki, mert úgy tűnik, hogy valaha tó volt – és otthont adhatott a Sutherland által vizsgált kémiai anyagoknak. Segített megírni egy 2018-as, Catling által vezetett prezentációt a NASA-nak, amely összefoglalta a prebiotikus kémiai eredményeket, és tanácsot adott arra vonatkozóan, hogy a Perseverance hol keressen. “Bemutattuk ezt a kémiát, és azt mondtuk, hogy ez a Jezero-kráter, amelyet végül kiválasztottak, az, ahol a legnagyobb a valószínűsége annak, hogy ez a kémia lejátszódik” – mondja Sutherland.

Két hónap múlva a Perseverance eléri a Marsot – és évek múlva az általa gyűjtött mintákat egy még meg nem nevezett jövőbeli küldetés visszahozza a Földre. Tehát még sokat kell várni arra, hogy kiderüljön, van-e élet a Marson, vagy volt-e élet évmilliárdokkal ezelőtt. De még ha nem is volt, akkor is felfedezhetjük a prebiotikus kémia nyomait.

A legjobb esetben, mondja Catling, a Perseverance bonyolult szénalapú molekulákat talál a marsi üledék rétegeiben, például lipideket vagy fehérjéket, illetve azok lebomlott maradványait. A nedves-száraz ciklusok bizonyítékait is reméli. Ez olyan karbonátos rétegek formájában jelentkezhet, amelyek egy tó többszöri kiszáradásakor és újratöltésekor keletkeztek. Gyanítja, hogy “az élet nem jutott különösebben messzire a Marson”, mert eddig nem láttuk ennek nyilvánvaló jeleit, például egyértelmű fosszíliákat vagy szénben gazdag fekete palákat. “Amit keresünk, az elég egyszerű, talán még inkább prebiotikus, mint maguk a tényleges sejtek.”

Ez lehet, hogy a Mars csak az első néhány kémiai lépést tette meg az élet felé, és nem ment végig. Ebben az esetben talán találunk kövületeket – nem az életről, hanem az élet előtti életről.