Początek każdego roku nastraja do refleksji o wszelkich początkach. Czas płynie, my się zmieniamy, a jednak zostajemy tym, kim jesteśmy. Wielka prawda ewolucji wszechrzeczy. Ale jak się zaczęło?

Z moim synem lat 5,5 oglądamy „Było sobie życie”. W tym klasycznym już dziś animowanym serialu edukacyjnym dla najmłodszych pierwszy odcinek jest o powstaniu życia, jakie znamy na Ziemi – czyli komórkowego. Dopiero zaś następny mówi o powstaniu ludzkiej zygoty z jaja mamy i plemnika taty, o tym, jak rosła ona i rozwijała się przez podziały i przemiany tysięcznych komórek, aby przyjść na świat w pełni uformowanym, choć malutkim jeszcze człowiekiem.

Był sobie plemnik…

Na marginesie, zdążyliśmy się mocno posunąć w latach od czasu, kiedy sami oglądaliśmy pierwszy odcinek, nieprawdaż? Co zaradniejsi życiowo rówieśnicy i skłonniejsi ode mnie do ewolucyjnego sukcesu to już mogą wnukom pokazywać, co sami oglądali „dzieckiem w kolebce będąc”. Dlatego w wielu odcinkach da się już zauważyć niewielkie błędy merytoryczne – cóż, nauka też się rozwija.

Oczywista oczywistość takiego układu materiału w kreskówce dla dzieci wynika z prostego spostrzeżenia, że plemnik jest wysoce wyspecjalizowaną komórką. Nie wygląda, ani nie zachowuje się jak mała kuleczka. Zanim zatem zaistniał plemnik, musiały istnieć inne, prościej zbudowane komórki. Ale skąd one się wzięły? Znowu – z prostszych układów materii organicznej, zdolnej do odtwarzania swej struktury. Jeśli pamiętamy lekcje chemii, to tam na ogół te reakcje kazano nam robić w probówkach i najczęściej w roztworach wodnych.

No przecież, że z oceanu życie jest zatem! Mamy jednak ten kłopot, że nie do końca intuicyjnie „łapiemy” prostą prawdę chemii, że każda reakcja tak naprawdę zachodzi w obie strony. Aż w konkretnych warunkach dookolnych powstaje stan równowagi pomiędzy produktami danej reakcji (tym, co powstaje), a jej substratami (tym, z czego powstaje). I to, gdzie się ów stan ustali, zależy głównie od stężenia tak substratów, jak i produktów u zarania procesu. Czyli jak gdzieś jest tak dużo wody, jak w oceanie, to trudno będzie sprawić, by ona dalej powstawała w wyniku reakcji chemicznych rozpuszczonych w niej, nie tak licznych związków chemicznych.

Życie (dzisiejsze, na Ziemi) jest formą istnienia białka (choć samo białko w ogóle nie nadaje się do przechowywania instrukcji życia ani jego istoty – do tego jeszcze wrócę). Aby połączyły się ze sobą dwa aminokwasy (podstawowe substraty do produkcji białka), to powstające wiązanie chemiczne, zwane peptydowym, wynika niejako z „wyrzucenia” cząsteczki wody poza orbitę tworzącej się cząsteczki dwuaminokwasowej. Dołączenie kolejnej wiąże się z takim samym „odrzuceniem” cząsteczki wody. I tak dalej, i tak dalej.

A to oznacza (wziąwszy pod uwagę, co napisałam wyżej o reagowaniu w obie strony i równowadze), że gdy cząsteczka powstającego białka jest narażona na dookolny nadmiar wody, to wcale nie będzie miała ochoty przyłączać kolejnych aminokwasów. Chyba, że będzie ich większa większość – jak to się mówi. Zatem podda się ona jedynie działaniu wody, rozbijającemu wiązania chemiczne. Obrazowo: zanim dołączy się trzeci aminokwas, drugi już zechce dać drapaka.

To samo dotyczy wszelkich innych składników komórki: kwasów nukleinowych, tłuszczów i złożonych cukrów. Życie zaś jest skomplikowane w swej strukturze. Musi się także replikować, przekazywać i trwać w kolejnych pokoleniach. Z natury kruche, a końcem jego śmierć (lub nieśmiertelność w przekazywanych kolejnym pokoleniom genach).

Hydroliza (czyli rozdzielanie cząsteczek chemicznych za pomocą wody) to potężna reakcja. Woda rozpuszcza skały, a co jej tam rozwalić na kawałki takie „nic”, jak cukry, białka czy kwasy nukleinowe (zwłaszcza je!). Komórki żywe zatem tyleż od wody zależą (nie mogą wyschnąć poza pewną granicę, uwodnienie jest niezbędne, co wie każdy mający w domu choć jedną doniczkę z czymkolwiek), co muszą się przed nią bronić. Przed jej niszczącym, rozrywającym wiązania chemiczne działaniem. Wiem, że to trudno na początku zaakceptować, ale fakty są w tej sprawie nagie i proste, jak Tablica Mendelejewa.

Pasożyt, który nas uratował

Per analogiam, nie potrafimy sobie także wyobrazić życia bez dostępu tlenu, a to błąd. Nie tylko dlatego, że ignorujemy wtedy istnienie jak najbardziej beztlenowej laseczki jadu kiełbasianego czy też tężca, albo tych powodujących gangrenę, a to się może na nas życiowo zemścić. Przede wszystkim jednak dlatego, że „życiodajność” czy też „biogenność” tlenu to jest klasyczne myślenie ahistoryczne o historii naszej planety!

Gdy bowiem tlen zaczął się pojawiać w naszej atmosferze w stężeniach wyższych od „homeopatycznych”, to było już w połowie obecnych dziejów Ziemi (jakieś 2,4 mld lat temu). Czyli miliard lat PO TYM, gdy powstało tu komórkowe życie. Tlen pojawiając się w istotnych stężeniach (takich z 5 razy niższych, niż obecnie) WYTRUŁ bez miłosierdzia, a zgodnie ze swą chemiczną naturą, absolutnie wszystko, co nie umiało sobie poradzić z jego agresywną obecnością. Jakieś 99,9 procent wszystkiego, co wtedy żyło. Akcja zwana wielką rewolucją tlenową zajęła ok. 400 mln lat i ze świata życia beztlenowego zostały w różnych pochowanych po planecie niszach nędzne szczątki.

I dlatego jesteśmy dziś wszyscy tacy do siebie metabolicznie podobni – „tlenowi”. Bo przodkowie wszystkich innych zginęli na wielkiej wojnie z tlenem (produkowanym w płytkich, nasłonecznionych zbiornikach wodnych przez bakterie, co umiały robić chlorofil, a zatem przeprowadzać fotosyntezę – dziś nazywamy je sinicami). Myśmy tę walkę przeżyli, bo jednokomórkowy przodek nasz zeżarł coś, czego potomkowie noszą dziś nazwę alfa-proteobakterii. Taka bakteryjna komórka umiała sobie radzić z tlenem – przerzucała na niego zbędne elektrony i tak powstawała… woda.

Dziś ten „gość na wieczność”, znany pod imieniem mitochondrium, najbardziej genetycznie (ma swój własny genom, a jakże!) przypomina bakterie żyjące jako wewnątrzkomórkowe chorobotwórcze pasożyty (riketsje – wywołują np. tyfus prawdziwy). Nie da się zatem wykluczyć, że nasz wielki ewolucyjny sukces zawdzięczamy pandemii. Nasi jednokomórkowi przodkowie zostali zaatakowani przez owe „riketsje-praprababki” i okazało się, że wprawdzie nienażarte to bydlę, taki pasożyt wewnątrzkomórkowy, ale jednocześnie utylizuje morderczy tlen. I tak ustaliła się błogosławiona po dziś dzień symbiotyczna równowaga między żywicielem a patogenem.

Życie zatem nie tylko nie wymaga tlenu. Tlen jest dla życia zabójczy! Tylko życie – już jak najbardziej komórkowe – ogarnęło temat i z groźnych „wolnych rodników tlenowych” robi niegroźną wodę.

Oczywiście niegroźną do pewnego stopnia. Pamiętacie „naszego pradziadka pantofelka”, jak pisał o nim Zbigniew Herbert, w którego intymne życie przez złoty binokular wprowadzał nas „Pan od przyrody” (lub pani)? On w środku komórki miał taki pulsujący, przejrzysty kwiatuszek – absolutnie niezapomniany. To tzw. wodniczka tętniąca. Po co mu ona? Ano, żeby wypompowywać wodę. Gdyż woda, sprytna bestia, wchodzi do komórek, jak to się mówi, wszelkimi porami. A nawet i całkiem bez nich.

Komórka, która przestaje kontrolować napływ wody, po prostu pęka jak balonik. Rozwój w wodzie lekko zasolonej ogranicza ten problem (to się nazywa potęga izotonii – zgodności stężeń po obu stronach półprzepuszczalnej błony komórkowej), ale woda słona czy nie, nadal będzie rozwalać wszystkie komórkowe składniki na czynniki pierwsze. Życie działa chemicznie wbrew wszechogarniającej entropii, czyli porządkuje tam, gdzie z natury jest bałagan. A to wymaga energii.

Świat wyciągnięty z kapelusza

Woda ma na Ziemi pochodzenie kosmiczne – w przeciwieństwie do większości tlenu atmosferycznego, który ewidentnie jest tu za przyczyną organizmów wspomnianych sinic i ich roślinnych potomków (produkują go w wyniku wielu skomplikowanych reakcji chemicznych, dzięki którym odżywiają się atmosferycznym dwutlenkiem węgla).

Jeśli przyjmiemy dla potrzeb naszych dzisiejszych rozważań, że żadnej panspermii (o której pisałam: TU) nie było, nie ma i nie potrzeba, to nie zakładamy, że z tą kosmiczną wodą przyszły tu jakieś komórki. Nie możemy stwierdzić też, że były w niej zawarte jakieś skomplikowane związki organiczne, typu białka czy kwasy nukleinowe. Przyjmijmy, że to wszystko powstało tu, na miejscu. Zresztą przyjęcie, że powstało wcześniej gdzie indziej, w niczym nie upraszcza problemu – po prostu przesuwa go w przeszłość.

Jeśli wierzyć geologom i geofizykom, życie miało na początku pod górkę. W stygnącym środowisku Ziemi i jej powstającej atmosferze dawało się znaleźć jedynie odrobinę tlenu, azot, metan, amoniak, wodę i cyjanowodór. Oazy podwyższonego ciśnienia i bardzo dużych rozpiętości temperatury. Sporo promieniowania ultrafioletowego i radioaktywności.

W październiku 2018 roku Thomas Carell z Uniwersytetu Monachijskiego obwieścił [1], że ciągiem kilku prostych reakcji, często zdolnych przebiegać obok siebie, jest w stanie uzyskać wszystkie cztery cegiełki budujące strukturę RNA. Zwane są one nukleotydami: adeninowym, guaninowym, cytozynowym i uracylowym. Nie zrobił tego w roztworze morskiej wody, bo to jak na razie jest niewykonalne.

Inni naukowcy w ciągu wielu poprzedzających lat ustalili, że z pierwotnie dostępnych tlenu, azotu, metanu, amoniaku, wody i cyjanowodoru daje się uzyskać chemicznie bardziej złożone związki. A dokładnie wykorzystane przez uczonych niemieckich: cyjanoacetylen i hydroksyloaminę, mocznik, cukier – rybozę oraz związki zawierające siarkę, zwane tiolami, i śladowe ilości soli żelaza lub niklu jako chemiczne katalizatory. Carell, wrzuciwszy to wszystko niczym magik do cylindra, wyciągnął za uszy królika, czyli wszystkie elementy, z których powstaje RNA.

A RNA jest kluczowy. Podczas mojej niedawnej rozmowy dla Naukovo.pl z prof. dr. hab. Pawłem Golikiem, kierownikiem Instytutu Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego [2], opowiadał on o świecie, który mógł być „na początku” a nadal istnieje (choć mało go oglądamy, bo jest wewnątrzkomórkowy). Czyli o tzw. świecie RNA.

Wyjść trzeba od tego, jak wyjaśnił prof. Golik, że „życie jest w swej istocie systemem zdolnym do ewolucji (w rozumieniu darwinowskim) i samopodtrzymującym się termodynamicznie”. Prosto rzekłszy, jeśli ma się na początku oprzeć o jakąś konkretną, jednego typu i w dodatku prostą cząsteczkę organiczną, to ona musi umieć być tak magazynem informacji genetycznej, jak i enzymem. W dzisiejszych komórkach jedynie RNA spełnia ten postulat. I dlatego mógł być na początku.

Są to tzw. rybozymy – enzymy rybonukleinowe. Ich odkrycie zawdzięczamy m.in. uczonemu polskiego pochodzenia, ale całe życie pracującemu w USA, Jackowi Szostakowi z Massachusetts General Hospital w Bostonie.

– DNA może być tylko magazynem informacji, białka mogą być tylko enzymem, a RNA może być jednym i drugim – wyjaśnił prof. Golik. I – jak napisano wyżej – może powstać na początku, gdyż jego elementy składowe udało się wyjąć z kapelusza biochemicznego magika z Monachium.

Dziś to właśnie od enzymatycznej działalności RNA zależy biosynteza białek. Bez niego nigdy by nie powstały. W dodatku RNA umie się w wielu aspektach samo o siebie biochemicznie „zatroszczyć” (np. przyciąć się do stosownych rozmiarów, wyciąć się z większej cząsteczki etc.). Nadal trudno jest sprawić, aby taka cząsteczka sama się powielała. Ale i ku temu eksperymentalnie się zbliżamy. Bo, jak wyjaśnił mi prof. Golik: – Jedne cząsteczki RNA w warunkach laboratoryjnych potrafią już wydłużać inne cząsteczki RNA. Aby powielały same siebie, muszą być karmione nie pojedynczymi cegiełkami-nukleotydami, ale ich trójkami.

Woda jest wrogiem

Początek zatem kryją mroki, aczkolwiek wpada tam coraz więcej światła. Co ciekawe, ciemności były tam również dla Karola Darwina, który unikał wypowiadania się na temat „od czego się zaczęło życie”, choć życie poświecił opisywaniu jego ewolucji. Sprawa zaś jest niebłaha, gdyż podstawowym zarzutem wobec teorii ewolucji w czasach Darwina był ten, że nie widać, by zachodziła w czasach Darwina. „By jakaś małpa stawała się człowiekiem”. „Dlaczego dziś nie powstaje życie?”.

Darwin zajął się tym problemem jedynie raz i to w prywatnej korespondencji, żartując sobie w liście z 1871 roku do J. D. Hookera [3], że dziś, gdyby nawet jakieś pierwotne białkowe zorganizowanie materii powstało w jakimś nasłonecznionym, ciepłym bajorku wystawionym na działanie wyładowań elektrycznych, to istniejące już życie natychmiast by je zjadło. Intuicja prosta, rzeczowa i nie do obalenia.

Ocean przestaje być atrakcyjnym miejscem dla prebiotycznej genezy życia, bo woda zanim życie zasili, to je „rozpuści”. Obecne spojrzenie ewolucjonistów kieruje się zatem ku idei płytkich zbiorników wodnych, zasilanych z zewnątrz, zwłaszcza zaś takich, które okresowo by podsychały. Nagrzanych, kumulujących związki organiczne, wystawionych na niezbędne promieniowanie UV (które głębia wodna zatrzymuje) i wyładowania elektryczne. Gdzie stężenie samej wody fluktuowałoby, ale absolutnie nie dominowałoby w roztworze.

Reakcje chemiczne lubią powierzchnie i granice faz. Choć niewiele na ten temat pokazuje się nam w szkole, niestety. Roztwór z cyjanamidu – to jest to! Tu z natury procesów fizykochemicznych będą powstawać grudy mineralne i bąble gazowe – jakieś bariery dla wody, niezbędne, zanim realna tłuszczowa błona komórkowa przejmie kontrolę nad tym, co do komórki wchodzi, a co z niej wychodzi. Przejmie – rzecz ująwszy prosto – kontrolę nad wodą na zewnątrz i wewnątrz komórki. A to równie podstawowe, jak owo uczynione boską ręką sklepienie, które „oddzieliło wody nad sklepieniem od wód pod sklepieniem” (Rdz. 1,6).

W szkole uczono nas ewolucji prebiotycznej zgodnie z myślą radziecką (i nadal się to robi, jeśli w ogóle się robi!), czyli „leciano” Oparinem. Aleksandrem Oparinem, który swą koncepcję „pierwotnej zupy we wczesnym oceanie” zaproponował w latach 20. XX wieku. Brytyjski genetyk John B.S. Haldane, równie w tej materii zasłużonym, rzadko był w szkole wspominany.

W 1953 roku Stanley Miller z University of Chicago w Illinois użył szklanej kolby z wodą, aby naśladować ocean, i połączonej z nią rurkami innej kolby zawierającej metan, amoniak i wodór, aby symulować wczesną atmosferę, a elektroda symulowała błyskawice. Wystarczyło kilka dni ogrzewania i wstrząsów elektrycznych, aby wytworzyć glicynę, najprostszy aminokwas i niezbędny składnik białek. Sugerowało to wielu badaczom, że życie powstało w pobliżu powierzchni oceanu. Temat zamknięto jako załatwiony i opisano w podręcznikach dla szkół.

Tylko że to nie jest proste. Bo tak samo sobie w roztworze wodnym to nic nie trwa wiecznie. A komórka to nie worek wypełniony wodą, ale neseser poprzedzielany licznymi białkowymi rusztowaniami i błonowymi przedziałami wewnętrznymi. To skomplikowany, wieloprzegródkowy sakwojaż wypełniony gęstym żelem. Takiej czystej wody tam na lekarstwo, a jak by była, siedzi pozamykana w lipidowych banieczkach. Skoro komórki tak ściśle kontrolują wodę, znaczy to, że w chemii organicznej „woda jest wrogiem, którego należy wykluczyć tak rygorystycznie, jak to tylko możliwe”, jak napisał już biochemik Robert Shapiro w swojej książce „Origins” z 1986 r., stanowiącej kompleksową krytykę hipotezy pierwotnego oceanu [4].

Kolejne puzzle do tej układanki dokłada już od początku lat 80. XX w. David Deamer (obecnie z University of California w Santa Cruz). W swym eksperymencie z 2008 roku [5] wymieszał nukleotydy, lipidy i wodę i przeprowadził je wielokrotnie przez cykl wysuszania i ponownego uwadniania. I oto oczom zdumionych uczonych ukazały się nukleotydy połączone w łańcuchy , jak RNA. Lipidy zaś stworzyły warstwy – niczym pierwotne błony komórkowe. Tego się nie udało uzyskać bez owego wielokrotnego suszenia i uwadniania.

Hipoteza, że życie powstało na lądzie, w jakimś ciepłym, okresowo wysychającym błocie, a nie w oceanie, nie jest jeszcze w nauce powszechnie przyjęta. Zyskuje ona jednak coraz więcej zwolenników. Nic zatem dziwnego, że gdy 18 lutego tego roku statek kosmiczny NASA wejdzie w marsjańską atmosferę, a następnie opuści na powierzchnię sześciokołowy łazik o nazwie Perseverance (Wytrwałość), to uczyni to, by zbadać krater Jezero. 45-kilometrową szczelinę w pobliżu równika Marsa, w której kiedyś mogło znajdować się płytkie jezioro.

Mnie osobiście zaś nie dziwi, że gdy raz wreszcie Darwin się wypowiedział na temat tego, gdzie owo życie powstać ewentualnie mogło, choć i żartem, to z właściwą sobie przenikliwością i geniuszem wstrzelił się w naukowe pomysły 150 lat do przodu.

– Magdalena Kawalec-Segond

TYGODNIK TVP, ul. Woronicza 17, 00-999 Warszawa. Redakcja i autorzy

Przypisy:

[1]. https://www.sciencemag.org/news/2018/10/chemists-find-recipe-may-have-jump-started-life-earth

[2]. https://www.youtube.com/watch?v=fwG5kUAEoN4&list=PLgItcKew0VyyGi9ZsXEpUJeEkWTi4-Ou-&index=31

[3]. „It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are now present, which could ever have been present.— But if (& oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia & phosphoric salts,—light, heat, electricity &c present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes, at the present day such matter wᵈ be instantly devoured, or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed.” https://www.darwinproject.ac.uk/letter/DCP-LETT-7471.xml

[4] https://www.nature.com/articles/d41586-020-03461-4

[5] Rajamani, S. et al. Orig. Life Evol. Biosph. 38, 57–74 (2008)

Tygodnik TVPPolub nas