Barbara Kremer: W paleobiologii trzeba mieć szczęście

Leszek Zych/PolitykaBarbara Kremer

Dr hab. Barbara Kremer jest profesorem w Instytucie Paleobiologii PAN w Warszawie. Zajmuje się badaniem skamieniałości z najdawniejszych okresów życia na Ziemi. Jej specjalnością są analizy biogeochemiczne i mikroskamieniałości.

Wojciech Mikołuszko: – Skamieniałości, jakie badają paleontolodzy, to zazwyczaj szkielety, muszle i resztki innych twardych tkanek. Pierwsze proste organizmy na Ziemi nic takiego nie mogły po sobie zostawić. Co więc pani bada?
Barbara Kremer: – Ślady pierwszego życia to materia organiczna. Ale nie w całości, tylko fragmentarycznie. Najczęściej znajdujemy cząsteczki lipidów lub wielocukrów, mocno zmienione pod wpływem temperatury. Odczytujemy też kształty pierwszych komórek. Są sferyczne bądź nitkowate, zmineralizowane najczęściej powszechnie występującą w przyrodzie krzemionką. To dzięki niej resztki materii organicznej tak dobrze się zachowują, choć, oczywiście, pierwotna zawartość ulega całkowitej degradacji. Jeśli jednak w skałach znajdujemy ślady izotopów węgla o wartościach charakterystycznych dla życia, to możemy z dużym prawdopodobieństwem uznać, że są to pozostałości po pradawnych komórkach.

Gdzie się takie rzeczy odkrywa?
Najstarsze na Grenlandii, w skałach sprzed 3,8 mld lat. To już tylko węgliste drobinki, które kształtem nie przypominają komórek. Na to, że mogło to być kiedyś życie – podkreślam: mogło – wskazują badania izotopowe.

Niewiele jest na Ziemi innych miejsc, w których można takie ślady znaleźć. Z tamtych czasów do dzisiaj przetrwały głównie skały magmowe. W nich nie będzie żadnych skamieniałości – ślady życia mogą się przechować wyłącznie w skałach osadowych. Najstarsze skały osadowe występują w odległych i trudno dostępnych miejscach w Afryce Południowej i Australii. Do miejsc tych docierają tylko nieliczni badacze. Szczęśliwie my do nich należymy.

My, czyli kto?
Do naszej grupy należy prof. Józef Kaźmierczak, który był promotorem mojej pracy doktorskiej. Współpracujemy także ze Stephanem Kempe z Niemiec oraz z Władysławem Altermannem z Republiki Południowej Afryki.

Gdzie znajdują się te skały, które badacie?
W Afryce Południowej. Zorganizowaliśmy tam dwie ekspedycje naukowe. Zebraliśmy sporo próbek skał liczących od trochę ponad 3,5 do 2,5 mld lat.

Przeglądanie tych materiałów to naprawdę żmudna robota. Kroi się je na cienkie płytki i przegląda pod mikroskopem. I trzeba mieć szczęście. Znam kilkadziesiąt osób, które jeździły w ten sam rejon, pobierały próbki i szukały śladów życia. Wielu nic nie znalazło. A nam się udało.

Czym w ogóle jest życie, którego śladów tak uporczywie szukacie?
Badacze definiują życie na różne sposoby. Największą popularnością cieszy się definicja przyjęta przez NASA za sugestią Carla Sagana. Obejmuje ona nie tylko życie znane nam na Ziemi, ale także to, które możemy spotkać gdzieś na jakichś obiektach kosmicznych. Według niej to „samoutrzymujący się system chemiczny zdolny do ewolucji darwinowskiej”. To dobra, ale bardzo ogólna definicja. Inna, dokładniejsza, za Lynn Margulis i Dorionem Saganem, określa życie jako samowystarczalny system chemiczny, który zawiera informacje, jest oddzielony od środowiska zewnętrznego i z niego zdobywa energię, aby się rozwijać. Jeszcze inna mówi, w dużym uproszczeniu, że to stan organizmu, w którym zachodzą ciągłe przemiany materii i energii oraz ich wymiana z otoczeniem.

Definicje pomagają określić, w którym momencie powstało to, co nazywamy życiem?
Życie tworzyło się stopniowo i powoli nabywało swoje cechy. Amerykański badacz Michael Russell twierdzi, że najpierw musiała pojawić się przemiana materii – to hipoteza pierwszego metabolizmu. Takie pradawne formy już nauczyły się zdobywać energię, ale jeszcze nie potrafiły się rozmnażać. Inni badacze, w tym laureat Nagrody Nobla Walter Gilbert, uważają, że najpierw powstały nośniki informacji genetycznej, prawdopodobnie cząsteczki kwasów nukleinowych, które potrafią się powielać bez pomocy innych cząsteczek (hipoteza świata RNA). A był jeszcze trzeci element: błony chroniące te struktury. Dopiero coś, co połączyło wszystkie te elementy pod postacią wczesnej komórki, możemy nazwać stuprocentowym życiem.

W jakim środowisku to się stało?
Oczywiście w wodzie – w oceanie, w lagunie, w jeziorze. Ziemia liczy sobie ok. 4,5 mld lat. Na wczesnych etapach jej rozwoju lądy zajmowały małą powierzchnię. Niemal całość naszej planety pokrywał ocean. Przyjmuje się, że na samym początku miał on – na skutek wietrzenia skał magmowych, które dominowały na powierzchni – odczyn kwaśny. Ten jednak ewoluował w stronę zasadowego. W 1985 r. niemieccy uczeni Stephan Kempe i Egon Degens, zaproponowali hipotezę, że to właśnie w takim oceanie powstało życie. Dość szybko wsparł ich prof. Kaźmierczak. Razem rozwijali teorię alkalicznego oceanu sodowego. Z trudem przebijała się ona do środowiska naukowego na Zachodzie. Dzisiaj powszechnie się przyjmuje, że takie środowisko jest niezbędne do powstania życia. Potwierdziły to też eksperymenty w laboratoriach.

A dzisiejsze oceany jaki mają odczyn?
Lekko zasadowy, ale nie wszędzie jednakowy. Przeciętnie pH, czyli odczyn współczesnej wody oceanicznej, wynosi 8.1. Chemizm [całokształt przemian chemicznych – przyp. red.] dzisiejszych oceanów jest odmienny od tych, w których powstało życie. Są jednak na Ziemi miejsca, gdzie i dziś można spotkać wodę o podobnych właściwościach jak 4 mld lat temu. To jeziora w kraterach wulkanów. Tamtejsze skały powodują alkalizację wody.

Jedno z takich jezior znajduje się w kalderze wulkanu na pacyficznej wyspie w archipelagu Królestwa Tonga. W 1998 r. ekspedycję tam odbyli profesorowie Kempe i Kaźmierczak. Odkryli, że na jego dnie świetnie rozwijają się sinice tworzące maty.

Proszę przypomnieć, co to za organizmy.
Sinice, zwane też cyjanobakteriami, to bardzo zróżnicowane mikroorganizmy. To bakterie, choć przez długi czas zaliczano je do glonów, bo mają zielony barwnik w komórkach i potrafią przeprowadzać fotosyntezę, której produktem ubocznym jest tlen.

Sinice są bardzo odporne. Nie przeszkadza im słabe natlenienie środowiska, obecność siarkowodoru. Wytrzymują pH od lekko kwaśnego do skrajnie alkalicznego. W pradawnych morzach królowały. To one kształtowały Ziemię. Porastały dna mórz, jezior, nawet wilgotne miejsca na lądach. Często tworzyły grupy, kolonie. Ich grubsze warstwy nazywamy matami, cieniutkie – biofilmami.

Maty sinicowe produkują dużo substancji śluzowej, w której wytrącają się minerały. Tak tworzą duże struktury zwane stromatolitami. To jedne z najczęstszych skamieniałości z pradawnych mórz.

Dzisiaj stromatolity już nie powstają?
Po pierwsze, przy obecnym chemizmie wód morskich, poza pewnymi wyjątkami (np. w środowiskach wysoko zasolonych), nie wytrąca się węglan wapnia – typowy składnik dawnych stromatolitów. Po drugie, w większości mórz i jezior życie jest dziś bardzo różnorodne. Glony i zwierzęta zasiedlają dna i uniemożliwiają masowe powstawanie mat sinicowych.

Są jednak wyjątki. To właśnie takie wulkaniczne jeziora alkaliczne, o składzie chemicznym podobnym do morza sprzed 3,5 mld lat. W zbiorniku na wyspie w archipelagu Tonga maty sinicowe wapnieją. Powstają stromatolity podobne do tych z wczesnej Ziemi! Kempe i Kaźmierczak przywieźli stamtąd piasek złożony z drobniuteńkich ziarenek szkliwa wulkanicznego. Prawie każde z nich jest otoczone warstewkami, w których „siedziały” sinice. Można powiedzieć, że na ziarenku szkliwa powstaje taki mikrostromatolit. Proszę sobie wyobrazić, że bardzo podobne struktury znajdujemy w skałach sprzed 3,5 mld lat, tych z Afryki Południowej.

Jakie to ma znaczenie?
Chcemy się dowiedzieć, czy szkliwo wulkaniczne mogło pełnić jakąś rolę w powstaniu i ewolucji wczesnego życia.

Jedną z form skał wulkanicznych jest pumeks. Ma on strukturę porowatą, pełną dziur i kanałów. Jeśli są one wypełnione powietrzem, to pumeks unosi się na wodzie. Są hipotezy, że właśnie w tych przestrzeniach, w tych dziurkach, rozwijało się pierwsze życie. Chronione było przed światem zewnętrznym, mogło się tam powielać, replikować. A skała stanowiła dla niego źródło minerałów. Chcemy tę hipotezę sprawdzić, porównać szkliwo z jeziora z Tonga z tym sprzed 3,5 mld lat.

A wiadomo, czy wtedy istniały już sinice?
Tak, znaleźliśmy w tych skałach formy przypominające ich komórki. Publikacja o tych najstarszych sinicach została bardzo dobrze przyjęta przez badaczy wczesnego życia na Ziemi. Nieco większą ostrożność wzbudziło nasze drugie odkrycie.

Czego ono dotyczyło?
Może najpierw wyjaśnię, że pierwsze komórki na Ziemi nie miały jądra. Tak jak dzisiejsze bakterie. Były prokariontami. Powstanie złożonej komórki, z jądrem i innymi organellami w środku, stanowiło wielki przełom ewolucyjny. Do organizmów jądrowych, czyli eukariontów, należą ludzie, rośliny, zwierzęta, grzyby i liczne jednokomórkowce. Skamieniałości uważane za szczątki najstarszych eukariontów pochodziły do niedawna ze skał liczących 1,8 mld lat. A my znaleźliśmy struktury przypominające eukarionty w skałach sprzed 2,7–2,8 mld lat!

Jak one wyglądają?
Przypominają mikroskopijne rurki, trochę takie nitki. Udało się nam je wydobyć ze skały metodą maceracji, czyli rozpuszczenia skały. Oczywiście samo jądro komórkowe się nie zachowało. Struktury są jednak większe, dłuższe i grubsze niż u sinic. Posiadają rozgałęzienia, których u bakterii się nie obserwuje. Jeśli mamy rację, to eukarionty wyewoluowały znacznie wcześniej, niż dotychczas sądzono, dosyć szybko po powstaniu życia na Ziemi.

Czy to wczesne życie zmieniło naszą planetę?
Najstarsze nie miało jeszcze takiej mocy. Zrobiły to dopiero sinice. Wydzielały tlen, którego na wczesnej Ziemi nie było. Organizmy nie były przystosowane do jego obecności. On im szkodził. Musiały się nauczyć przed nim chronić. Z czasem opanowały sztukę oddychania tlenowego. To był jeden z największych przewrotów w dziejach życia.

Na ile życie na Ziemi jest unikatowe?
Trudno powiedzieć. Powstanie życia może być wymuszone warunkami środowiska. Jeśli pojawią się „klocki”, czyli składniki niezbędne do jego budowy i odpowiednie środowisko, to ono się rozwinie spontanicznie.

Jakie klocki?
Przede wszystkim ciekła woda. Potrzebne są też związki organiczne zbudowane z węgla, wodoru, azotu, tlenu, fosforu oraz innych pierwiastków, np. siarki, żelaza. One jednak są powszechne w kosmosie. Aminokwasy, czyli cegiełki, z jakich zbudowane są białka, znaleziono też w meteorytach. Życie nie musi być związane tylko z Ziemią.

To gdzie jeszcze możemy go się spodziewać?
Na pewno życie mogło być na Marsie. Dziś są tam czapy lodowe. Widać ślady po rzekach i jeziorach. Dociera tam dość energii słonecznej. Sondy znalazły struktury mineralne, które mogły powstać przy udziale życia. Istnieje więc duża podstawa do poszukiwań śladów organizmów na Marsie.

Drugim kandydatem jest Europa, księżyc Jowisza. Tam, pod grubą warstwą lodu, rozpościera się ocean. Jest też energia geotermalna i pierwiastki niezbędne do powstania życia. Nic nie stoi na przeszkodzie, by mogły go zamieszkiwać bakterie. Na Ganimedesie jest ocean ciekłej wody, a na innym księżycu Jowisza, Kallisto, może istnieć słony ocean pod 200-kilometrową warstwą lodu.

Z kolei Tytan, księżyc Saturna, ma atmosferę podobną do tej na dawnej Ziemi. Trochę jest tam więcej azotu i metanu, niż było u nas na wczesnej Ziemi. Odkryto jeziora płynnych węglowodorów, głównie metanu. W atmosferze Tytana powstają związki organiczne. Życie mogłoby się rozwinąć w takich warunkach.

Czapy polarne i atmosferę z domieszką azotu i metanu ma też Tryton, czyli księżyc Neptuna. W końcu Wenus, która ma bardzo gęstą atmosferę złożoną głównie z dwutlenku węgla, z domieszką azotu i dwutlenku siarki. Nie jest ona dobra dla życia, jakie znamy z Ziemi. Jednak proste formy mogłyby się tam odnaleźć.

Gdyby na którymś z tych obiektów powstało życie, to na ile byłoby podobne do tego, jakie znamy?
Raczej powinno się opierać na wodzie i węglu, który jest podstawą związków organicznych. Z tego składają się pierwsze komórki. Ale dalej ewolucja mogła pójść w bardzo różne strony. Tego nie da się przewidzieć.

Zdolność do ewolucji to, zgodnie z przytoczonymi przez panią definicjami, bezwzględna cecha życia.
Proszę jednak pamiętać, że niekoniecznie musi to być ewolucja darwinowska. Organizmy jednokomórkowe – i nawet wyższe – potrafią wymieniać ze sobą geny. Informacje przepływają więc nie tylko z rodziców na potomstwo, ale też między niespokrewnionymi osobnikami. Tego Darwin nie przewidywał. A na wczesnej Ziemi to był bardzo istotny, może nawet główny mechanizm przekazywania genów. Powstanie i utrwalenie w ewolucji życia różnych form podziałów komórkowych to inny fascynujący i zagadkowy temat. Pojawia się zupełnie nowe pole z zupełnie nowymi mechanizmami rozwoju i trwania życia.