Życiodajne wulkany
W Sekcji Archeo w pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.
Pod całkowicie pozbawionym tlenu niebem kilka wulkanicznych wysp wynurza się spod powierzchni ciemnoniebieskiego oceanu. Na ich czarnej glebie na próżno szukać śladów życia. Gdzieniegdzie tylko można dostrzec owoce tej potężnej aktywności hydrotermalnej, czyli wysoko tryskające gejzery i wrzące baseny w ochrowych odcieniach siarki, żelaza i gliny. Ta niegościnna panorama, przywołująca na myśl jakąś odległą planetę, może być opisem Ziemi sprzed 4 mld lat. Bez wątpienia piekło dla wszelkich znanych nam dzisiaj form życia. Jednak zgodnie z ostatnią hipotezą, popartą serią eksperymentów i obserwacji terenowych, właśnie w tym typie środowiska pojawiły się pierwsze żywe organizmy.
Czy mamy zatem do czynienia z nowym scenariuszem, który zmieni całkowicie historię życia na naszej planecie? Niezupełnie. Raczej powracamy do tego, co wyobrażał sobie Darwin 150 lat temu. Już wtedy uważał on, że życie powstało w gorącym i bogatym w związki organiczne bagnie, które ewoluowały w pierwszą komórkę, a następnie w mikroorganizm zdolny do reprodukcji. Nie był jednak w stanie przedstawić konkretnego dowodu na to, a tym bardziej opisać mechanizmu formowania się tej prakomórki. Co więcej, nie miał pojęcia, w jaki sposób aminokwasy czy lipidy pojawiły się na Ziemi. Dzisiaj wiadomo już, że źródłem wspomnianych związków organicznych były meteoryty i komety, które bombardowały naszą planetę miliony lat temu. Na ich powierzchni można bowiem znaleźć m.in. aminokwasy, czyli podstawowy budulec białek, a także wchodzące w skład DNA zasady azotowe czy tworzące błony komórkowe lipidy. To jednak, jak połączyły się one w bardziej skomplikowane cząsteczki i struktury, do dzisiaj jest kwestią sporną.
Za dużo wody w oceanie
Od lat 70. XX w. wśród naukowców króluje przekonanie, że życie ewoluowało na dnie prymitywnych oceanów. W 1977 r. natrafili bowiem na znajdujące się 3000 m pod powierzchnią wody kominy hydrotermalne. Ponieważ są one źródłem ciepła, energii chemicznej i cząsteczek organicznych, łatwo wyobrazić sobie, jak zamieniają się w jedyny w swoim rodzaju reaktor, w którym w wyniku skomplikowanych reakcji chemicznych powstaje praprzodek wszystkich znanych nam obecnie form biologicznych. Nic dziwnego więc, że teoria ta przetrwała do dzisiaj i ma zwolenników wśród naukowców na całym świecie.
Problem polega na tym, że na dnie oceanów, a więc w środowisku silnie rozcieńczonym, nadmiar wody nie sprzyja kształtowaniu się długich molekuł, takich jak DNA czy proteiny. Duża zawartość soli z kolei przeszkadza w organizowaniu się lipidów w membrany. Dlatego David Deamer z University of California jako jeden z pierwszych badaczy „wynurzył” się na powierzchnię Ziemi i opracował zupełnie inny scenariusz tworzenia się życia na naszej planecie, w którym to główną rolę odgrywały znajdujące się w pobliżu wulkanów gorące zbiorniki wodne. Według biologa te powierzchniowe źródła hydrotermalne zawierały większe stężenia związków organicznych niż otaczający kominy ocean. Masy wodne ulegają bowiem w oceanie ciągłemu mieszaniu, co sprawia, że molekuły są rozcieńczane. Poza tym trzeba przyznać, że bombardowanie Ziemi przez bogate w aminokwasy czy lipidy komety i meteoryty musiało być bardziej efektywne na jej powierzchni niż w podwodnych głębinach.
Bliskość wulkanów rozwiązuje także problem zaopatrzenia tych wód w niektóre elementy niewystępujące w dużych ilościach w oceanach. Chodzi tutaj m.in. o fosfor, który jest składnikiem DNA, czy ATP (molekuła odpowiedzialna za wewnątrzkomórkowy transfer energii) oraz wchodzące w skład licznych enzymów cynk i molibden. Głównym atutem tych zbiorników wodnych jest jednak ich cykliczne wysychanie i ponowne napełnianie się wodą (dzięki opadom deszczu lub aktywności gejzerów). Według Davida Deamera tylko wskutek istnienia tego typu cyklu mogło powstać na Ziemi życie. Badacz opublikował swoje przemyślenia i przedstawił mechanizm powstania pierwszej komórki w 2015 r.
Przepis na komórkę
Wszystko zaczęło się oczywiście od zdeponowania pochodzących z kosmosu związków organicznych w przywulkanicznych źródłach hydrotermalnych. Rozpuszczalne aminokwasy i zasady azotowe swobodnie pływały w gorącym zbiorniku, podczas gdy hydrofobowe (odpychające wodę) cząsteczki lipidów zorganizowały się w sferyczne pęcherzyki. Podczas pierwszego wysuszenia źródła lipidy opadły na dno jeziora, gdzie utworzyły cienkie warstwy, natomiast pozostałe związki organiczne zaczęły łączyć się ze sobą w bardziej złożone molekuły. Gdy zbiornik znów napełnił się wodą, lipidy ponownie zwinęły się w maleńkie kulki, ale tym razem w ich wnętrzu znajdowały się cząsteczki złożone z krótkich segmentów kwasów nukleinowych czy peptydów (łańcuchy z aminokwasów).
Na tym etapie wiele z tych kulistych tworów ulegało rozpadowi, a wytworzone wcześniej cząsteczki ponownie rozpuściły się w wodzie. Jednak te, które przetrwały, stanowiły solidną podstawę do dalszych etapów formowania się prakomórki. Podczas kolejnych cykli tworzyły się coraz bardziej skomplikowane i coraz stabilniejsze pęcherzyki, w których znajdowały się coraz dłuższe cząsteczki białek oraz związki chemiczne przypominające DNA i RNA. W rezultacie powstała pierwsza komórka z metabolizmem i zdolnością reprodukcji oraz stabilną błoną chroniącą ją przed środowiskiem zewnętrznym, ale umożliwiającą przenikanie składników odżywczych.
Jakkolwiek przekonująca, teoria ta potrzebowała potwierdzenia na drodze eksperymentalnej. W tym celu David Deamer udał się w okolice wulkanu Mutnowska Sopka na rosyjskiej Kamczatce. Rejon ten znany jest z występowania powierzchniowych źródeł hydrotermalnych oraz licznych gejzerów i według badacza znakomicie odzwierciedla warunki panujące podczas formowania się pierwszych komórek. Naukowiec pobrał próbkę wody ze zbiornika i dodał do niej mieszaninę lipidów, aminokwasów, fosforanów i zasad azotowych. Po kilku minutach na powierzchni próbki wytworzyła się piana zawierająca pęcherzyki lipidowe, wypełnione pozostałymi cząsteczkami.
Życie nie z tej Ziemi
Ponieważ od utworzenia się Ziemi do pojawienia się na niej pierwszych form życia upłynęło tylko 500 mln lat, wielu naukowców twierdzi, że jest to zbyt krótki okres, by zaistniała tak delikatna i skomplikowana struktura, jaką jest życie. Według nich ziemskie życie nie powstało na powierzchni naszej planety, ale dotarło na nią z innymi ciałami niebieskimi w postaci prostych jednokomórkowych organizmów lub ich przetrwalników (endosporów). W 2012 r. międzynarodowa grupa badaczy umieściła próbkę przetrwalników Bacillus pumilus na platformie znajdującej się niedaleko stacji kosmicznej. Po 18 miesiącach przebywania w bardzo trudnych warunkach mikrob ożył – udało się otrzymać hodowlę bakterii.
W tym samym roku inna grupa badawcza poddała przetrwalniki tej bakterii serii testów, w których symulowano warunki panujące na Marsie. Silne promieniowanie UV okazało się zabójcze dla mikroba, jeżeli wystawiona na nie była pojedyncza warstwa przetrwalników. Natomiast gdy endospory były ułożone warstwowo, to te z dolnych poziomów przetrwały. Górne warstwy posłużyły zatem jako ochrona przed szkodliwym promieniowaniem. Tak więc przetrwalniki Bacillus pumilus mogłyby teoretycznie podróżować w meteorytach i ożyć w korzystnych warunkach na innej planecie. Przeciwnicy tej hipotezy uważają, że zwiększona odporność niektórych mikrobów na trudne warunki w kosmosie nie oznacza jeszcze, że taką właśnie drogą dotarły one na Ziemię, zapoczątkowując na niej życie. Hipoteza ta nie wyjaśnia także, w jaki sposób w ogóle powstało życie, a dopóki nie znajdziemy go na innych ciałach niebieskich, to hipotezą pozostanie.
Zachęcony wynikami tego prostego eksperymentu badacz nawiązał współpracę z Marie-Christine Maurel z Institut de Systématique, Évolution, Biodiversité w Paryżu. Naukowcy odtworzyli chemiczne i fizyczne warunki panujące w powierzchniowych źródłach hydrotermalnych pierwotnej Ziemi, a następnie poddali cały system cyklicznemu wysuszaniu i ponownemu napełnianiu wodą. Wyniki eksperymentu przerosły ich najśmielsze oczekiwania: z prostych nukleotydów, złożonych każdy z zasady azotowej, rybozy i trzech grup fosforanowych, badacze wytworzyli długie, mniej lub bardziej rozgałęzione łańcuchy przypominające RNA. W podobnym eksperymencie, ale po dodaniu dodatkowo lipidów, wytworzyły się pęcherzyki wypełnione krótkimi segmentami kwasów nukleinowych. Co prawda naukowcy są jeszcze daleko od wytworzenia in vitro żywej komórki, ale pozostają dobrej myśli. W najbliższym czasie chcą przeprowadzić nowe eksperymenty, modyfikując również skład chemiczny mieszanin lub próbując nowych cykli wysuszania. Mają nadzieję, że opracują przepis na stworzenie komórki, który ostatecznie potwierdzi ich teorię.
Śladami minerałów
Tymczasem Tara Djokic z University of New South Wales w Australii przeprowadziła badania terenowe, które mogą być kolejnym dowodem na to, że David Deamer ma rację. Analizując osady z Pilbary, w których wyjątkowo dobrze zachowały się pierwotne ślady życia, Australijka natrafiła w 2017 r. na gejzeryt. Jest to biały minerał, który tworzy się w wyniku powolnego wychładzania się wód bogatych w krzemionkę, w pobliżu gorących źródeł, w tym gejzerów. Co więcej, w minerale znajdowały się liczące aż 3,5 mld lat pęcherzyki gazu wyprodukowanego przez bakterie! Jest to bezpośredni dowód na istnienie procesów biologicznych na powierzchni Ziemi w tym okresie. Bakterie, o których mowa, nie są pierwszymi organizmami, jakie powstały na naszym globie, ale znalezisko jasno dowodzi, że miliardy lat temu działały wulkaniczne źródła hydrotermalne i że mieszkały w nich prymitywne organizmy. A skoro bakterie mogły prosperować w tym środowisku, to dlaczego nie ich przodkowie?
Nowa teoria wzbudza także wiele emocji wśród astrobiologów. Jeżeli bowiem zostanie potwierdzona, będą oni musieli prawdopodobnie porzucić marzenia o znalezieniu życia na Europie czy Enceladusie. Poprzednia koncepcja, według której życie pojawiło się na dnie oceanów, dawała badaczom nadzieję na jego istnienie na zamarzniętych księżycach Jupitera i Saturna. Nowe ustalenia sugerują, że nie są one już tak dobrymi kandydatami na gospodarzy życia pozaziemskiego. Do tego tytułu natomiast może śmiało aspirować... Mars, gdyż za pomocą łazika Spirit naukowcy dokonali na nim niesamowitego odkrycia. W miejscu zwanym Tyrone podczas jednego ze skrętów pod kołami łazika pojawił się biały minerał. Początkowo sądzono, że jest to depozyt siarczanów, które często, ale nie zawsze, powstają w obecności wody. Dopiero dokładne analizy wykazały, że tajemniczy minerał składa się w 90% z krzemionki! A to potwierdza, że kiedyś na Marsie zachodziła aktywność hydrotermalna, co w świetle nowej teorii pozwala nam mieć nadzieję, że powstało tam również prymitywne życie.
Chociaż przed naukowcami jeszcze wiele badań terenowych i testów laboratoryjnych, to śmiało można powiedzieć, że nowa teoria początków życia zdobywa coraz więcej zwolenników, a wszystko wskazuje na to, że życie nie powstało na dnie oceanów, lecz w małej sadzawce w cieniu wielkiego wulkanu.