Jak pierwsze życie na Ziemi przetrwało swoje największe zagrożenie – wodę

18 lutego przyszłego roku statek kosmiczny NASA przebije się przez marsjańską atmosferę, odpali rakiety wsteczne, aby przerwać spadanie, a następnie opuści na powierzchnię sześciokołowy łazik o nazwie Perseverance. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, misja wyląduje w kraterze Jezero, 45-kilometrowej szerokości szczelinie w pobliżu równika planety, która kiedyś mogła pomieścić jezioro ciekłej wody.

Wśród tłumów Ziemian kibicujących Perseverance, John Sutherland będzie zwracał szczególnie baczną uwagę. Sutherland, biochemik w MRC Laboratory of Molecular Biology w Cambridge, UK, był jednym z naukowców, którzy lobbowali NASA do odwiedzenia krateru Jezero, ponieważ pasuje do jego pomysłów o tym, gdzie życie mogło powstać – na Marsie i na Ziemi.

Wybór miejsca lądowania odzwierciedla zmianę w myśleniu o chemicznych krokach, które przekształciły kilka cząsteczek w pierwsze komórki biologiczne. Chociaż wielu naukowców od dawna spekulowało, że te pionierskie komórki powstały w oceanie, ostatnie badania sugerują, że kluczowe cząsteczki życia i jego podstawowe procesy mogą powstać tylko w miejscach takich jak Jezero – stosunkowo płytkim zbiorniku wodnym zasilanym strumieniami.

To dlatego, że kilka badań sugeruje, że podstawowe chemikalia życia wymagają promieniowania ultrafioletowego ze światła słonecznego, aby się uformować, i że środowisko wodne musiało stać się wysoce skoncentrowane lub nawet całkowicie wyschnąć w pewnych momentach. W eksperymentach laboratoryjnych Sutherland i inni naukowcy wytwarzali DNA, białka i inne podstawowe składniki komórek poprzez delikatne ogrzewanie prostych związków chemicznych na bazie węgla, poddawanie ich promieniowaniu ultrafioletowemu i okresowe suszenie. Chemicy nie byli jeszcze w stanie zsyntetyzować tak szerokiego zakresu biologicznych cząsteczek w warunkach, które naśladują wodę morską.

Wyłaniające się dowody spowodowały, że wielu badaczy porzuciło pomysł, że życie powstało w oceanach i zamiast tego skupiło się na środowiskach lądowych, w miejscach, które były na przemian wilgotne i suche. Zmiana nie jest prawie jednomyślna, ale naukowcy, którzy popierają ideę lądowego początku, mówią, że oferuje ona rozwiązanie długo rozpoznawanego paradoksu: że chociaż woda jest niezbędna do życia, jest również destrukcyjna dla jego podstawowych składników.

Powierzchniowe jeziora i kałuże są bardzo obiecujące, mówi David Catling, naukowiec planetarny na Uniwersytecie Waszyngtona w Seattle. „W ciągu ostatnich 15 lat wykonano wiele prac, które wspierałyby ten kierunek.”

Prymordialna zupa

Chociaż nie ma standardowej definicji życia, większość badaczy zgadza się, że potrzebuje ono kilku składników. Jeden jest informacja-noszącym molekułami – DNA, RNA lub coś innego. Musiał istnieć sposób na skopiowanie tych molekularnych instrukcji, choć proces ten musiałby być niedoskonały, aby pozwolić na błędy, zalążki ewolucyjnych zmian. Co więcej, pierwsze organizmy musiały mieć sposób na odżywianie i utrzymanie siebie, być może przy użyciu enzymów opartych na białkach. Wreszcie, coś trzymało te rozbieżne części razem, oddzielając je od ich environment.

Gdy badania laboratoryjne nad pochodzeniem życia zaczęły się na poważnie w latach pięćdziesiątych, wielu badaczy założyło, że życie zaczęło się w morzu, z bogatą mieszanką związków chemicznych opartych na węglu, nazwaną pierwotną zupą.

Ten pomysł został niezależnie zaproponowany w latach dwudziestych przez biochemika Aleksandra Oparina, w ówczesnym Związku Radzieckim, i genetyka J. B. S. Haldane’a w Wielkiej Brytanii. Każdy z nich wyobrażał sobie młodą Ziemię jako ogromną fabrykę chemiczną, z mnóstwem związków chemicznych na bazie węgla rozpuszczonych w wodach wczesnych oceanów. Oparin rozumował, że powstawały coraz bardziej skomplikowane cząsteczki, których kulminacją były węglowodany i białka: to, co nazwał „fundamentem życia”.

W 1953 r. młody badacz Stanley Miller z Uniwersytetu Chicago w Illinois opisał słynny eksperyment, który uznano za potwierdzenie tych idei1. Użył on szklanej kolby z wodą, aby naśladować ocean, oraz innej kolby zawierającej metan, amoniak i wodór, aby symulować wczesną atmosferę. Rurki połączyły kolby, a elektroda symulowała błyskawicę. Kilka dni ogrzewania i wstrząsów elektrycznych wystarczyło do wytworzenia glicyny, najprostszego aminokwasu i niezbędnego składnika białek. Sugerowało to wielu badaczom, że życie powstało blisko powierzchni oceanu.

Ale wielu naukowców twierdzi dziś, że z tym pomysłem jest zasadniczy problem: cząsteczki będące kamieniem węgielnym życia rozpadają się w wodzie. Dzieje się tak dlatego, że białka i kwasy nukleinowe, takie jak DNA i RNA, są wrażliwe w swoich połączeniach. Białka zbudowane są z łańcuchów aminokwasów, a kwasy nukleinowe z łańcuchów nukleotydów. Jeśli łańcuchy te zostaną umieszczone w wodzie, atakuje ona połączenia i w końcu je przerywa. W chemii węgla „woda jest wrogiem, którego należy wykluczyć tak rygorystycznie, jak to tylko możliwe”, napisał zmarły biochemik Robert Shapiro w swojej totemicznej książce Origins z 1986 roku, która krytykowała hipotezę pierwotnego oceanu2.

To jest paradoks wody. Dziś komórki rozwiązują go, ograniczając swobodny przepływ wody w swoich wnętrzach – mówi biolog syntetyczny Kate Adamala z Uniwersytetu Minnesoty w Minneapolis. Z tego powodu popularne wyobrażenia o cytoplazmie – substancji znajdującej się wewnątrz komórki – są często błędne. „Jesteśmy uczeni, że cytoplazma to po prostu worek, w którym wszystko się mieści, a wszystko pływa dookoła” – dodaje. „To nieprawda, wszystko jest niewiarygodnie rusztowane w komórkach i jest rusztowane w żelu, a nie w worku z wodą.”

Jeśli żywe istoty utrzymują wodę pod kontrolą, to implikacja, mówi wielu badaczy, jest oczywista. Życie prawdopodobnie powstało na lądzie, gdzie woda była obecna tylko sporadycznie.

Początek na lądzie

Kilka kluczowych dowodów na rzecz tej idei pojawiło się w 2009 r., kiedy Sutherland ogłosił, że on i jego zespół z powodzeniem stworzyli dwa z czterech nukleotydów, które składają się na RNA3. Zaczęli od fosforanu i czterech prostych związków chemicznych na bazie węgla, w tym soli cyjanku zwanej cyjanamidem. Chemikalia rozpuszczono w wodzie, ale były one bardzo skoncentrowane, a kluczowe etapy wymagały promieniowania UV. Takie reakcje nie mogłyby zachodzić w głębi oceanu – tylko w małym basenie lub strumieniu wystawionym na działanie promieni słonecznych, gdzie chemikalia mogłyby być skoncentrowane, mówi.

Zespół Lutherlanda wykazał, że te same chemikalia startowe, jeśli są traktowane subtelnie inaczej, mogą również wytwarzać prekursory białek i lipidów4. Badacze sugerują, że reakcje te mogły zachodzić, jeśli woda zawierająca sole cyjanku została wysuszona przez Słońce, pozostawiając warstwę suchych, związanych z cyjankiem związków chemicznych, która następnie została podgrzana przez, powiedzmy, aktywność geotermalną. W ubiegłym roku jego zespół wyprodukował bloki budulcowe DNA – coś, co wcześniej uważano za nieprawdopodobne – wykorzystując energię ze światła słonecznego i niektóre z tych samych związków chemicznych w wysokich stężeniach5.

Podejście to zostało rozszerzone przez biochemika Morana Frenkel-Pintera w NSF-NASA Center for Chemical Evolution w Atlancie, Georgia, i jej kolegów. W zeszłym roku wykazali oni, że aminokwasy spontanicznie łączyły się w łańcuchy podobne do białek, jeśli zostały wysuszone6. Tego rodzaju reakcje były bardziej prawdopodobne w przypadku 20 aminokwasów występujących obecnie w białkach, w porównaniu z innymi aminokwasami. Oznacza to, że przerywane suszenie może pomóc wyjaśnić, dlaczego życie wykorzystuje tylko te aminokwasy, spośród setek możliwości. „Widzieliśmy selekcję dla dzisiejszych aminokwasów”, mówi Frenkel-Pinter.

Mokro i sucho

Przerywane suszenie może również pomóc w napędzaniu tych molekularnych bloków konstrukcyjnych, aby złożyć się w bardziej złożone, podobne do życia struktury.

Klasyczny eksperyment wzdłuż tych linii został opublikowany w 1982 roku przez badaczy Davida Deamera i Gail Barchfeld, wtedy na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis7. Ich celem było zbadanie, w jaki sposób lipidy, inna klasa cząsteczek o długim łańcuchu, samoorganizują się, tworząc błony otaczające komórki. Najpierw stworzyli pęcherzyki: kuliste bryłki z wodnistym jądrem otoczonym dwiema warstwami lipidowymi. Następnie badacze wysuszyli pęcherzyki, a lipidy zreorganizowały się w wielowarstwową strukturę przypominającą stos naleśników. Pasma DNA, wcześniej unoszące się w wodzie, zostały uwięzione pomiędzy warstwami. Kiedy badacze ponownie dodali wody, pęcherzyki zreformowały się – z DNA wewnątrz nich. Był to krok w kierunku prostej komórki.

„Te mokre-suche cykle są wszędzie” – mówi Deamer, który obecnie pracuje na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. „To jest tak proste, jak woda deszczowa parująca na mokrych skałach”. Ale kiedy są one stosowane do biologicznych substancji chemicznych, takich jak lipidy, mówi, niezwykłe rzeczy happen.

W badaniu z 2008 roku, Deamer i jego zespół zmieszali nukleotydy i lipidy z wodą, a następnie umieścić je przez mokro-suche cykle. Kiedy lipidy tworzyły warstwy, nukleotydy łączyły się w łańcuchy podobne do RNA – reakcja, która nie zaszłaby w wodzie bez pomocy8.

Inne badania wskazują na inny czynnik, który wydaje się być kluczową częścią początków życia: światło. To jeden z wniosków płynących z zespołu biologa syntetycznego Jacka Szostaka z Massachusetts General Hospital w Bostonie, który pracuje z „protokomórkami” – prostymi wersjami komórek, które zawierają garść substancji chemicznych, ale mogą rosnąć, konkurować i replikować się. Protokomórki wykazują zachowania bardziej zbliżone do życia, jeśli są wystawione na działanie warunków podobnych do tych panujących na lądzie. Jedno z badań, którego Adamala był współautorem, wykazało, że protokomórki mogą wykorzystywać energię świetlną do podziału, co stanowi prostą formę reprodukcji9. Podobnie Claudia Bonfio, obecnie również w MRC Laboratory of Molecular Biology, i jej współpracownicy wykazali w 2017 r., że promieniowanie UV napędza syntezę klastrów żelazowo-siarkowych10, które są kluczowe dla wielu białek. Należą do nich te w łańcuchu transportu elektronów, który pomaga zasilać wszystkie żywe komórki poprzez napędzanie syntezy cząsteczki magazynującej energię ATP. Klastry żelazo-siarka rozpadłyby się, gdyby były wystawione na działanie wody, ale zespół Bonfio odkrył, że były bardziej stabilne, jeśli klastry były otoczone prostymi peptydami o długości 3-12 aminokwasów.

Woda, ale nie za dużo

Takie badania nadały rozpędu idei, że życie zaczęło się na dobrze oświetlonej powierzchni z ograniczoną ilością wody. Jednak wciąż trwa debata nad tym, ile wody było zaangażowane, i jaką rolę odegrała w rozpoczęciu życia.

Jak Deamer, Frenkel-Pinter twierdzi, że cykle mokro-suche były kluczowe. Suche warunki, ona mówi, zapewnił możliwość dla cząsteczek łańcucha, takich jak białka i RNA do form.

Ale po prostu tworząc RNA i inne cząsteczki nie jest życie. Samopodtrzymujący się, dynamiczny system musi się uformować. Frenkel-Pinter sugeruje, że destrukcyjność wody mogła pomóc to napędzić. Podobnie jak zwierzęta, które padły ofiarą ewoluowały, by biegać szybciej lub wydzielać toksyny, by przetrwać drapieżniki, pierwsze biologiczne cząsteczki mogły ewoluować, by radzić sobie z chemicznymi atakami wody – a nawet wykorzystać jej reaktywność na dobre.

W tym roku zespół Frenkel-Pinter kontynuował swoje poprzednie badania6 pokazujące, że suszenie powodowało spontaniczne łączenie się aminokwasów. Zespół odkrył, że ich proto-białka mogą oddziaływać z RNA, i że w wyniku tego oba stają się bardziej stabilne w wodzie11. W efekcie woda działała jak presja selekcyjna: tylko te kombinacje cząsteczek, które mogły przetrwać w wodzie, byłyby kontynuowane, ponieważ inne zostałyby zniszczone.

Pomysł jest taki, że z każdym cyklem zwilżania słabsze cząsteczki, lub te, które nie mogły chronić się przez wiązanie z innymi, zostały zniszczone. Bonfio i jej zespół wykazali to w badaniu przeprowadzonym w tym roku12, w którym próbowali przekształcić proste kwasy tłuszczowe w bardziej złożone lipidy przypominające te, które można znaleźć we współczesnych błonach komórkowych. Badacze stworzyli mieszaniny lipidów i odkryli, że te proste były niszczone przez wodę, podczas gdy większe, bardziej złożone gromadziły się. „W pewnym momencie miałbyś wystarczająco dużo tych lipidów, aby mogły one tworzyć błony” – mówi. Innymi słowy, może istnieć złota ilość wody: nie tak dużo, że biologiczne cząsteczki są niszczone zbyt szybko, ale nie tak mało, że nic się nie zmienia.

Ciepłe małe stawy

Gdzie to wszystko mogło się wydarzyć? W tej kwestii istnieje pokoleniowa przepaść na tym polu. Wielu starszych badaczy jest zaangażowanych w taki lub inny scenariusz, podczas gdy młodsi badacze często twierdzą, że kwestia jest szeroko otwarta.

Otwarty ocean jest nieopłacalny, mówi Frenkel-Pinter, ponieważ nie ma sposobu, aby chemikalia stały się skoncentrowane. „To jest naprawdę problem,” zgadza się Bonfio.

An alternative marine idea jest orędownikiem od lat 80. przez geologa Michaela Russella, niezależnego badacza, dawniej w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie, Kalifornia. Russell twierdzi, że życie zaczęło się w otworach wentylacyjnych na dnie morza, gdzie ciepła woda alkaliczna wydostaje się z formacji geologicznych znajdujących się poniżej. Interakcje między ciepłą wodą a skałami dostarczyłyby energii chemicznej, która najpierw napędzałaby proste cykle metaboliczne, które później zaczęłyby wytwarzać i wykorzystywać związki chemiczne, takie jak RNA.

Russell jest krytyczny wobec podejścia Sutherlanda. „On robi te wszystkie fantastyczne kawałki chemii”, mówi, ale dla Russella żadna z nich nie jest istotna. A to dlatego, że współczesne organizmy używają zupełnie innych procesów chemicznych do tworzenia substancji takich jak RNA. Twierdzi on, że to te procesy musiały powstać jako pierwsze, a nie same substancje. „Życie wybiera bardzo szczególne molekuły. Ale nie można ich wybrać z ławki. Musisz je stworzyć od podstaw i to właśnie robi życie.”

Sutherland kontruje, że gdy RNA, białka i tak dalej powstały, ewolucja przejęłaby je i umożliwiłaby protoorganizmom znalezienie nowych sposobów tworzenia tych cząsteczek, a tym samym utrzymania się.

W międzyczasie, wielu badaczy wyraziło sceptycyzm wobec hipotezy Russella alkaliczno-wentylacyjnej, argumentując, że brakuje jej wsparcia eksperymentalnego.

W przeciwieństwie do tego, eksperymenty chemiczne, które symulują warunki powierzchniowe, sprawiły, że bloki budulcowe kwasów nukleinowych, białek i lipidów. „Żadna z tych syntez nie istnieje w tej głębinowej hipotezie ujścia hydrotermalnego. To po prostu nie zostało zrobione, a być może dlatego, że nie można tego zrobić”, mówi Catling.

Frenkel-Pinter jest również krytycznie nastawiona do pomysłu z ujściem, ponieważ cząsteczki, z którymi pracuje, nie przetrwałyby długo w tych warunkach. „Tworzenie tych protopeptydów nie jest bardzo zgodny z hydrotermalnych vents,” mówi Frenkel-Pinter.

Możliwe rozwiązanie zostało zaproponowane w maju przez geochemika Martina Preiner, postdoc na Uniwersytecie w Düsseldorfie w Niemczech, i jej kolegów. Twierdzi ona, że w skałach pod kominami hydrotermalnymi, ciepło i reakcje chemiczne wiążą cząsteczki wody lub rozbijają je – tworząc suche przestrzenie13. „Interakcje skała-woda pozbywają się wody do pewnego stopnia” – mówi. Od czasu do czasu do środka napływa więcej wody morskiej, co daje „coś w rodzaju cyklu mokro-suchego”. To powinno sprawić, że skały głębinowe będą bardziej odpowiednie do tworzenia się kluczowych cząsteczek, twierdzi Preiner, choć przyznaje, że to wciąż tylko hipoteza. „Oczywiście, nadal trzeba zrobić zgodnie eksperymenty, aby udowodnić, że to może zrobić pewne reakcje.”

Na chwilę obecną, jednak, że dowody nie istnieją. Tymczasem eksperymentalne wsparcie rośnie dla idei, że życie zaczęło się w małych zbiornikach wodnych na lądzie.

Sutherland faworyzuje krater uderzeniowy meteorytu, ogrzewany przez Słońce i przez resztkową energię uderzenia, z wieloma strumieniami wody biegnącymi w dół pochyłych boków, a w końcu spotykającymi się w basenie na dnie. Byłoby to złożone, trójwymiarowe środowisko z powierzchniami mineralnymi działającymi jako katalizatory, gdzie związki chemiczne na bazie węgla mogłyby być na przemian rozpuszczane w wodzie i wysuszane na Słońcu. „Można powiedzieć z pewnym stopniem pewności, że musimy być na powierzchni, nie możemy być głęboko w oceanie lub 10 kilometrów w dół w skorupie ziemskiej”, mówi Sutherland. „Następnie potrzebujemy fosforanu, potrzebujemy żelaza. Wiele z tych rzeczy jest bardzo łatwo dostarczanych przez meteoryty żelazno-niklowe.” Scenariusz uderzeniowy ma jeszcze jedną zaletę: uderzenia meteorytów wstrząsają atmosferą, wytwarzając cyjanek, mówi Sutherland.

Deamer od dawna jest orędownikiem innej sugestii: wulkanicznych gorących źródeł. W badaniu w tym roku, on i jego kolega Bruce Damer argumentowali, że lipidy utworzyłyby protocells w gorących wodach14, jak wskazywały jego wcześniejsze eksperymenty. Cykle mokro-suche na krawędziach basenów napędzałyby tworzenie i kopiowanie kwasów nukleinowych, takich jak RNA.

Deamer przeprowadził kilka eksperymentów we współczesnych wulkanicznych gorących źródłach, aby przetestować swoje pomysły. W 2018 r. jego zespół wykazał, że pęcherzyki mogą tworzyć się w wodzie z gorących źródeł15, a nawet zamykać kwasy nukleinowe – ale nie tworzyłyby się w wodzie morskiej. W badaniu uzupełniającym w zeszłym roku stwierdzono, że gdy powstałe pęcherzyki zostały wysuszone, nukleotydy połączyły się, tworząc nici podobne do RNA16.

Odnalezienie miejsca, w którym zaczęło się życie, będzie wymagało zrozumienia szerszego obrazu chemii prebiotycznej: jak wiele reakcji pasuje do siebie i w jakich warunkach one zachodzą. Tego ogromnego zadania podjęła się grupa kierowana przez chemiczkę Sarę Szymkuć, prezesa firmy Allchemy z Highland w stanie Indiana. Zespół opublikował we wrześniu kompleksowe badania, w których wykorzystał algorytm komputerowy do zbadania, w jaki sposób rozległa sieć znanych reakcji prebiotycznych mogła wytworzyć wiele cząsteczek biologicznych wykorzystywanych w dzisiejszym życiu17.

Sieć była wysoce redundantna, więc kluczowe związki biologiczne mogły nadal powstawać, nawet jeśli wiele reakcji zostało zablokowanych. Z tego powodu Szymkuć twierdzi, że jest zbyt wcześnie, by wykluczyć którykolwiek ze scenariuszy powstania życia. Będzie to wymagało systematycznego testowania szeregu różnych środowisk, aby zobaczyć, które reakcje zachodzą gdzie.

Poza Ziemią

Jeśli eksperymenty takie jak Sutherlanda rzeczywiście wskazują drogę do tego, jak życie zaczęło się na Ziemi, mogą również pomóc w zbadaniu, gdzie życie mogło się zacząć w innych miejscach w kosmosie.

Mars przyciąga najwięcej uwagi, ponieważ istnieją wyraźne dowody na to, że kiedyś miał ciekłą wodę na swojej powierzchni. Miejsce lądowania łazika Perseverance NASA, krater Jezero, zostało wybrane częściowo dlatego, że wydaje się, że kiedyś było to jezioro – i mogło gościć chemię, którą badał Sutherland. Pomógł on napisać prezentację dla NASA z 2018 roku, prowadzoną przez Catlinga, która podsumowała odkrycia chemii prebiotycznej i doradziła, gdzie Perseverance powinien szukać. „Przedstawiliśmy tę chemię i powiedzieliśmy, że ten krater Jezero, który ostatecznie wybrali, jest tym, gdzie było największe prawdopodobieństwo, że ta chemia się rozegra”, mówi Sutherland.

Miną dwa miesiące, zanim Perseverance dotrze na Marsa – i lata, zanim próbki, które zbiera, zostaną zwrócone na Ziemię przez jeszcze nienazwaną przyszłą misję. Tak więc, czeka nas jeszcze długie oczekiwanie zanim dowiemy się, czy Mars jest siedliskiem życia, lub czy zrobił to miliardy lat temu. Ale nawet jeśli nie, może ujawnić ślady chemii prebiotycznej.

Najlepszy przypadek, mówi Catling, jest taki, że Perseverance znajdzie skomplikowane cząsteczki oparte na węglu w warstwach osadów marsjańskich, takie jak lipidy lub białka, lub ich zdegradowane pozostałości. Ma on również nadzieję na dowody na cykle mokro-suche. Może to być w formie warstw węglanowych, które powstały, gdy jezioro wysychało i napełniało się ponownie wiele razy. Podejrzewa on, że „życie nie dotarło szczególnie daleko na Marsie”, ponieważ nie widzieliśmy żadnych oczywistych jego oznak, takich jak wyraźne skamieniałości lub bogate w węgiel czarne łupki. „To, czego szukamy, jest dość proste, może nawet do punktu bycia prebiotycznym, a nie samych rzeczywistych komórek.”

Może być tak, że Mars podjął tylko kilka pierwszych chemicznych kroków w kierunku życia, a nie przeszedł całej drogi. W takim przypadku moglibyśmy znaleźć skamieniałości – nie życia, ale pre życia.

.