Ίθαν Σίγκελ, Ο μεταβολισμός, όχι τα κύτταρα ή η γενετική, μπορεί να ξεκίνησε τη ζωή στη Γη. Ethan Siegel, Metabolism, not cells or genetics, may have begun life on Earth

Ένα μεγάλο ανοιχτό ερώτημα στην επιστήμη του 21ου αιώνα είναι πώς ξεκίνησε η ζωή εδώ στη Γη. Το σενάριο με προτεραιότητα τον μεταβολισμό ίσως είναι το καλύτερο. A big open question in 21st-century science is how life began here on Earth. The metabolism-first scenario just might be the best one. Credit: Jacob Hege

Ο πλανήτης Γη έχει κατακλυστεί με ζωή. Λίμνες, ποτάμια, θάλασσες και ωκεανοί σφύζουν από ζωή, από την επιφάνεια μέχρι τον πυθμένα, συχνά σε βάθη χιλιομέτρων και μιλίων. Η γη, τόσο πάνω όσο και κάτω από το έδαφος, είναι γεμάτη με ζωντανούς οργανισμούς ποικίλου μεγέθους, μάζας και πολυπλοκότητας, συμπεριλαμβανομένων φυτών, ζώων και μυκήτων. Ακόμη και η ατμόσφαιρα φιλοξενεί μια μεγάλη ποικιλία μορφών ζωής, από πουλιά και έντομα μέχρι μικρόβια που βρίσκονται πολύ πάνω από τις ψηλότερες βουνοκορφές. Συνολικά, περισσότερα από 8 εκατομμύρια είδη οργανισμών εκπροσωπούνται σήμερα στη Γη, με συνολική βιομάζα πάνω από μισό τρισεκατομμύριο τόνους άνθρακα.

Μπορούμε να εντοπίσουμε την εξελικτική μας ιστορία μέσα στο χρόνο, με αξιοσημείωτα ορόσημα όπως:

• η ανάπτυξη των θηλαστικών και των φυτών,
• η εμφάνιση της σεξουαλικής αναπαραγωγής και της πολυκυτταρικότητας,
• η βιολογική δημιουργία οξυγόνου στην ατμόσφαιρά μας, και
• οι αρχές της φωτοσύνθεσης.

Έχουμε απολιθωμένα στοιχεία για την ύπαρξη ζωής πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια , αλλά η αρχή όλων αυτών - η προέλευση της ίδιας της ζωής στη Γη - παραμένει ένα άλυτο αίνιγμα. Αν και υπάρχουν πολλές θεωρίες και σενάρια, ένα από τα λιγότερο συζητημένα μπορεί στην πραγματικότητα να είναι το πιο πιθανό: ένα σενάριο με προτεραιότητα τον μεταβολισμό για την αρχή της ζωής .

Να γιατί πρόσφατη έρευνα, που διεξήχθη μόλις τα τελευταία χρόνια, μπορεί να φέρει επανάσταση στην ιστορία της εμφάνισης της ζωής στον πλανήτη μας.

Αυτό το δέντρο της ζωής απεικονίζει την εξέλιξη και την ανάπτυξη των διαφόρων οργανισμών στη Γη. Αν και όλοι προήλθαμε από έναν κοινό πρόγονο πριν από περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, οι ποικίλες μορφές ζωής προέκυψαν από μια χαοτική διαδικασία που δεν θα επαναλαμβανόταν ακριβώς ακόμα κι αν γυρίζαμε πίσω και ξανατρέχαμε το ρολόι τρισεκατομμύρια φορές. Όπως συνειδητοποίησε για πρώτη φορά ο Δαρβίνος, απαιτήθηκαν εκατοντάδες εκατομμύρια, αν όχι δισεκατομμύρια, χρόνια για να εξηγηθεί η ποικιλομορφία των μορφών ζωής στη Γη. This tree of life illustrates the evolution and development of the various organisms on Earth. Although we all emerged from a common ancestor more than 2 billion years ago, the diverse forms of life emerged from a chaotic process that would not be exactly repeated even if we rewound and re-ran the clock trillions of times. As first realized by Darwin, many hundreds of millions, if not billions, of years were required to explain the diversity of life forms on Earth. Credit: Leonard Eisenberg/evogeneao

Τα 8+ δισεκατομμύρια είδη οργανισμών που βρίσκονται στον κόσμο μας σήμερα διαθέτουν μια τεράστια ποικιλία ιδιοτήτων. Κάποια είναι μεγάλα, κάποια είναι μικρά. Κάποια είναι σύνθετα, κάποια είναι απλά. Κάποια ζουν μόνο υπό συγκεκριμένες, ακραίες συνθήκες, ενώ άλλα ευδοκιμούν σε μια μεγάλη ποικιλία χερσαίων περιβαλλόντων. Κάποια ολοκληρώνουν τον κύκλο ζωής τους σε λίγες μόνο ώρες, ενώ άλλα επιβιώνουν για δεκαετίες, αιώνες ή και χιλιετίες. Δεν φαίνεται να υπάρχει ένα καθολικό σύνολο συνθηκών — τουλάχιστον, μεταξύ αυτών και πολλών άλλων κοινών μετρήσεων — που να μπορείτε να εφαρμόσετε στη ζωή.

Κι όμως, υπάρχουν τουλάχιστον πέντε ιδιότητες που είναι καθολικές για όλες τις σύγχρονες μορφές ζωής:

• Όλες οι μορφές ζωής συλλέγουν πόρους κάποιου είδους από το περιβάλλον τους.
• Όλα διαθέτουν μεταβολισμό, όπου η ενέργεια εξάγεται από μια εξωτερική πηγή για την επίτευξη των μεταβολικών στόχων του οργανισμού.
• Όλα έχουν την ικανότητα να αναπαράγονται, δημιουργώντας απογόνους που είναι εν μέρει ή ακόμη και πλήρως πανομοιότυποι με τον γονικό οργανισμό.
• Όλα έχουν ξεχωριστό «εσωτερικό» και «εξωτερικό», που οριοθετείται από την ύπαρξη κυτταρικού τοιχώματος ή κυτταρικής μεμβράνης, δημιουργώντας ένα όριο μεταξύ του οργανισμού και του εξωτερικού περιβάλλοντος.
• Και όλα έχουν, μέσα τους, κάποιο είδος γενετικού κώδικα που επιτρέπει τη σύνθεση πρωτεϊνών και την πραγματοποίηση άλλων ζωτικών διεργασιών.

Είναι πολύ απίθανο όλες αυτές οι ιδιοκτησίες να έφτασαν ταυτόχρονα, με πλήρως ανεπτυγμένο τρόπο. Μία από αυτές πρέπει να ήρθε πρώτη.

Νωρίς, λίγο μετά τον σχηματισμό της Γης, η ζωή πιθανότατα εμφανίστηκε στα νερά του πλανήτη μας. Τα στοιχεία που έχουμε ότι όλη η ζωή που υπάρχει σήμερα μπορεί να εντοπιστεί σε έναν κοινό πρόγονο είναι πολύ ισχυρά, αλλά πολλές λεπτομέρειες σχετικά με τα πρώιμα στάδια του πλανήτη μας, ίσως για τα πρώτα 1 έως 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια, παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ασαφείς. Ενώ η ζωή εμφανίστηκε νωρίς, δεν υπάρχουν στοιχεία ότι η Γη ήρθε σε ύπαρξη με ζωή ήδη πάνω της, με την προέλευση να είναι αβέβαιη, εντός 100-700 εκατομμυρίων ετών μετά τον σχηματισμό του πλανήτη μας. Early on, shortly after the Earth first formed, life likely arose in the waters of our planet. The evidence we have that all life that’s extant today can be traced back to a universal common ancestor is very strong, but many details concerning the early stages of our planet, for perhaps the first 1-to-1.5 billion years, remain largely obscure. While life arose early on, there is no evidence that Earth came into existence with life already on it, with the origin being uncertain to within 100-700 million years after our planet’s formation. Credit: H. Betts et al., Nature Ecology & Evolution, 2018

Πολλοί αναζητούν τα ακατέργαστα χημικά συστατικά στην καρδιά της κατανόησής μας για τη ζωή σήμερα και υποστηρίζουν την εξέχουσα θέση τους - ακόμη και την πρωτοκαθεδρία τους - στην προέλευση της ζωής. Άλλωστε, υποστηρίζουν ότι αυτά τα ακατέργαστα συστατικά, συμπεριλαμβανομένων όλων των νουκλεοβάσεων που χρησιμοποιούνται στη γήινη ζωή, βρίσκονται εξωγήινα: σε αστεροειδείς, κομήτες και άλλα αρχέγονα σώματα που έχουν απομείνει από τον σχηματισμό του Ηλιακού μας Συστήματος. Παρόλο που οι πιθανότητες μιας σειράς από αυτές τις νουκλεοβάσεις να σχηματιστούν τυχαία σε μια λογική σειρά που κωδικοποιεί μια επιτυχημένη πρωτεΐνη είναι αστρονομικά μικρές, εξακολουθούν να υποστηρίζουν ότι χρειάζεται μόνο μία τέτοια επιτυχία για να οδηγήσει στη ζωή, όσο μικρές κι αν είναι οι πιθανότητες.

Άλλοι, αντίθετα, επισημαίνουν την αναγκαιότητα μιας διαφοράς μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού. Υποστηρίζουν ότι οι πρώτες μορφές ζωής χρειάζονταν ένα προστατευτικό στρώμα για να αντέξουν την σκληρότητα του περιβάλλοντος της πρώιμης Γης, μαζί με:

• ηλιακή ακτινοβολία,
• καταιγίδες με κεραυνούς,
• έντονος βομβαρδισμός από αντικείμενα από το διάστημα,
• και έντονη ηφαιστειακή δραστηριότητα,

για να αποφευχθεί η μετουσίωση των πρωτεϊνών και η αποσυναρμολόγηση των ευαίσθητων εσωτερικών συστατικών τους.

Όσοι υποστηρίζουν την κυτταρική δομή πρώτα συχνά βασίζονται στην παρουσία λιπιδίων σε ένα υδατικό περιβάλλον για να υποστηρίξουν το επιχείρημά τους. Αλλά το ερώτημα του πώς οι πληροφορίες για τη δημιουργία μιας τέτοιας δομής θα μπορούσαν να προκύψουν ταυτόχρονα με όλες τις άλλες απαραίτητες λειτουργίες που θα χρειαζόταν η ζωή παραμένει. Ένα σενάριο «προτεραιότητας στο φράγμα» δεν θα οδηγήσει απαραίτητα στην εκτέλεση των βιολογικών διεργασιών.

Αυτή η εννοιολογική εικόνα δείχνει μετεωροειδή να μεταφέρουν και τις πέντε νουκλεοβάσεις που βρίσκονται στις διαδικασίες της ζωής στην αρχαία Γη. Όλες οι νουκλεοβάσεις που χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες της ζωής, A, C, G, T και U, έχουν πλέον βρεθεί σε μετεωρίτες, μαζί με περισσότερα από 80 είδη αμινοξέων: πολύ περισσότερα από τα 22 που είναι γνωστό ότι χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες της ζωής εδώ στη Γη. Παρόμοιες διαδικασίες αναμφίβολα συνέβησαν σε αστρικά συστήματα σε όλους τους περισσότερους γαλαξίες κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας, φέρνοντας τα ακατέργαστα συστατικά για τη ζωή σε κάθε είδους νεαρούς κόσμους. This conceptual image shows meteoroids delivering all five of the nucleobases found in life processes to ancient Earth. All the nucleobases used in life processes, A, C, G, T, and U, have now been found in meteorites, along with more than 80 species of amino acids as well: far more than the 22 that are known to be used in life processes here on Earth. Similar processes no doubt happened in stellar systems all throughout most galaxies over the course of cosmic history, bringing the raw ingredients for life to all sorts of young worlds. Credit: NASA Goddard/CI Lab/Dan Gallagher

Πώς, λοιπόν, προέκυψε η ζωή; Οι προσπάθειες για την απάντηση σε αυτό το ερώτημα έκαναν ένα τεράστιο βήμα μπροστά το 2010, όταν μια ιστορική εργασία  ενσωμάτωσε τα στοιχεία από το σύνολο της ζωής στον πλανήτη με τη σύγχρονη φυλογενετική και την αυστηρή θεωρία πιθανοτήτων. Προηγουμένως αδιαμφισβήτητες υποθέσεις - όπως η ιδέα ότι η ομοιότητα στις γενετικές αλληλουχίες υπονοεί απαραίτητα γενετική συγγένεια ή ότι η καθολική κοινή καταγωγή ήταν απαίτηση - απορρίφθηκαν υπέρ δοκιμών ουδέτερων ως προς τις υποθέσεις. Εξετάστηκε η οριζόντια μεταφορά γονιδίων μεταξύ ελάχιστα συγγενικών ειδών, συμπεριλαμβανομένων ειδών σε διαφορετικά βασίλεια ή φύλα, μαζί με γεγονότα σύντηξης. Δεν έμεινε τίποτα στην τύχη.

Τα αποτελέσματα της διεξαγωγής της επίσημης δοκιμασίας ήταν τα εξής:

• Συντριπτικά, η ιδέα ότι όλη η υπάρχουσα ζωή μοιράζεται έναν καθολικό κοινό πρόγονο ευνοείται και όλες οι εναλλακτικές υποθέσεις απορρίπτονται.
• Η οριζόντια μεταφορά γονιδίων όντως συμβαίνει, αλλά είναι εξαιρετικά απίθανο να συμβεί μεταξύ οργανισμών που προέρχονται από ξεχωριστά περιστατικά σχηματισμού κυττάρων, καθώς τα γονίδιά τους θα μετατρέπονταν σε μη κωδικοποιητικά τμήματα.
• Το γεγονός ότι τα ίδια 22 αμινοξέα — και αυτά τα 22, από τα περισσότερα από 80 που είναι γνωστό ότι υπάρχουν στη φύση — βρίσκονται σε βιολογικά παραγόμενα πρωτεϊνικά μόρια αποτελεί πρόσθετη ισχυρή χημική απόδειξη υπέρ της καθολικής κοινής καταγωγής.

Αλλά ακόμη και με αυτή την εικόνα για την ανάπτυξη και την ιστορία της ζωής στη Γη, δεν μπορούσαμε να εξαγάγουμε οριστικά συμπεράσματα σχετικά με την προέλευσή της.

Αυτή η εικόνα δείχνει τον τυπικό πίνακα κωδικονίων RNA, όπου εμφανίζεται καθένα από τα 64 πιθανά κωδικόνια τριών ζευγών βάσεων που περιλαμβάνουν βάσεις U, C, A και G. Αυτά τα κωδικόνια κωδικοποιούν αμινοξέα, καθώς και τις πληροφορίες για την έναρξη (⇒) ή το τέλος (Stop) που κωδικοποιούν μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη από αυτά τα αμινοξέα. Σημειώστε το σημαντικό χαρακτηριστικό του πλεονασμού του πίνακα, καθώς υπάρχουν μόνο τυπικά 20 αμινοξέα για 64 κωδικόνια. Το DNA συνήθως κωδικοποιεί και 20 αμινοξέα, με την θυμίνη να αντικαθιστά την ουρακίλη. This image shows the standard RNA codon table, where each of the 64 possible three-base-pair codons involving U, C, A, and G bases are shown. These codons encode amino acids, as well as the information to begin (⇒) or end (Stop) encoding a particular protein out of those amino acids. Note the important feature of redundancy of the table, as there are only typically 20 amino acids for 64 codons. DNA typically encodes 20 amino acids as well, with thymine replacing uracil. Credit: DNA and RNA codon tables/English Language Wikipedia

Γι' αυτό η νεότερη προσέγγιση δεν είναι να επιλέξουμε μια υπόθεση για το τι ήρθε πρώτο, αλλά μάλλον να ξεκινήσουμε με τις συνθήκες που πρέπει να υπήρχαν στην αρχέγονη Γη και να εργαστούμε προς τα πίσω: τι είδους αντιδράσεις θα ήταν πιθανό να συμβούν ή ακόμα και αναπόφευκτες;

Στην αρχή, αυτό που θα γινόταν το Ηλιακό μας Σύστημα δεν ήταν τίποτα περισσότερο από ένα εμπλουτισμένο νέφος αρχέγονου αερίου. Η σύνθεσή του ήταν περίπου 70% υδρογόνο, 28% ήλιο και περίπου 1% οξυγόνο, ακολουθούμενη από μικρότερες ποσότητες άλλων στοιχείων, όπως άνθρακας, νέον, άζωτο, σίδηρος, πυρίτιο, θείο, ασβέστιο, φώσφορος, κάλιο, νάτριο, μαγνήσιο και πολλά άλλα. Μερικά από αυτά τα άτομα συνδέθηκαν σε μόρια, όπως σάκχαρα, αμινοξέα, νουκλεοβάσεις, αρωματικά μόρια και ούτω καθεξής. Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας έλκεται προς το κέντρο, όπου τελικά θα σχηματίσει τον Ήλιο μας, αλλά μια σημαντική ποσότητα καταρρέει σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο που περιβάλλει το κεντρικό πρωτοάστρο: έναν πρωτοπλανητικό δίσκο.

Ενώ τα ελαφρύτερα στοιχεία στο εσωτερικό μέρος του δίσκου - υδρογόνο και ήλιο, καθώς και ελαφρά είδη πάγου, όπως πάγοι αζώτου, μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα - βράζουν ή/και εξαχνώνονται, τα βαρύτερα στοιχεία συγχωνεύονται, σχηματίζοντας μόρια μεγαλύτερης αλυσίδας, πιο σύνθετα. Κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών, προκύπτουν ατέλειες σε αυτόν τον πρωτοπλανητικό δίσκο, οδηγώντας πρώτα σε πρωτοπλανήτες και αργότερα, καθώς το Ηλιακό Σύστημα ωριμάζει, σε ολοκληρωμένους πλανήτες.

Αν και τώρα πιστεύουμε ότι κατανοούμε πώς σχηματίστηκε ο Ήλιος και το Ηλιακό μας Σύστημα, αυτή η πρώιμη άποψη του παρελθόντος, πρωτοπλανητικού σταδίου μας, είναι μόνο ένα παράδειγμα. Ενώ πολλοί πρωτοπλανήτες υπήρχαν στα πρώτα στάδια σχηματισμού του συστήματός μας πριν από πολύ καιρό, σήμερα επιβιώνουν μόνο οκτώ πλανήτες. Οι περισσότεροι από αυτούς διαθέτουν φεγγάρια, ενώ υπάρχουν επίσης μικρά βραχώδη, μεταλλικά και παγωμένα σώματα κατανεμημένα σε διάφορες ζώνες και νέφη στο Ηλιακό Σύστημα. Στην αρχή, πιθανότατα υπήρχαν περισσότεροι πλανήτες και πρωτοπλανήτες. Οι οκτώ που έχουμε σήμερα αντιπροσωπεύουν μόνο τους μακροπρόθεσμους επιζώντες. Although we now believe we understand how the Sun and our Solar System formed, this early view of our past, protoplanetary stage is an illustration only. While many protoplanets existed in the early stages of our system’s formation long ago, today only eight planets survive. Most of them possess moons, and there are also small rocky, metallic, and icy bodies distributed across various belts and clouds in the Solar System as well. Early on, more planets and protoplanets were likely present; the eight that we possess today only represent the long-term survivors. Credit: JHUAPL/SwRI

Η πρώιμη Γη ήταν γεμάτη με βίαια γεγονότα. Το πιο διάσημο είναι πιθανώς η σύγκρουση με τον πρωτοπλανήτη Θεία πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, η οποία οδήγησε στο σχηματισμό της Σελήνης μας, με μια επακόλουθη περίοδο έντονου βομβαρδισμού που πιθανότατα συνεχίστηκε για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά. Ένας συνδυασμός ηφαιστειακών γεγονότων και προσκρούσεων από κομήτες και αστεροειδείς οδήγησε στη δημιουργία ωκεανών και ατμόσφαιρας, και οι βροχοπτώσεις στο πρώιμο, εξαιρετικά ανώμαλο έδαφος του πλανήτη οδήγησαν στο σχηματισμό αποθεμάτων γλυκού νερού, συμπεριλαμβανομένων ποταμών, λιμνών και πάγων.

Παρόλο που στην καθομιλουμένη χρησιμοποιούμε τη φράση «βράσιμο του ωκεανού» για να περιγράψουμε μια υπερβολικά φιλόδοξη, αλλά πρακτικά αδύνατη προσέγγιση στην επίλυση προβλημάτων, υπάρχει μια σπόρος μιας καλής ιδέας σε αυτή τη φράση που είναι σχετική. Δεδομένου ότι οι ωκεανοί αποτελούνται κυρίως από νερό, αλλά με πολλά διαλυμένα ή αιωρούμενα άλλα σωματίδια και ιόντα μέσα σε αυτά, το «βράσιμο» παρέχει μια μέθοδο για την απομάκρυνση του νερού αφήνοντας πίσω το υπόλοιπο περιεχόμενο. Αν παίρνατε έστω και μια μεγάλη κουταλιά νερό του ωκεανού και αρχίζατε να το βράζετε, θα μειώνατε το κλάσμα του νερού που υπάρχει, αφαιρώντας το βήμα προς βήμα, αφήνοντας πίσω όλα τα διαλυμένα και αδιάλυτα περιεχόμενα.

Τώρα, σκεφτείτε τα διάφορα υδατικά περιβάλλοντα που διέθετε ο πλανήτης μας νωρίς και θα δείτε γιατί τα αποθέματα γλυκού νερού που σχηματίστηκαν πάνω από ηφαιστειακά ενεργές περιοχές — γνωστές ως υδροθερμικά πεδία — είναι εκεί όπου συγκεντρώθηκαν περισσότερο τα αρχέγονα συστατικά της Γης. Καθώς το νερό τους εξατμιζόταν, η πυκνότητα των οργανικών ουσιών μέσα σε αυτά — σάκχαρα, αμινοξέα, νουκλεοβάσεις, ιόντα και πολλά άλλα — αυξήθηκε.

Αυτή η αεροφωτογραφία της Μεγάλης Πρισματικής Πηγής στο Εθνικό Πάρκο Γέλοουστοουν είναι ένα από τα πιο εμβληματικά υδροθερμικά χαρακτηριστικά στην ξηρά στον κόσμο. Τα χρώματα οφείλονται στους διάφορους οργανισμούς που ζουν υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες και εξαρτώνται από την ποσότητα του ηλιακού φωτός που φτάνει στα διάφορα μέρη των πηγών. Υδροθερμικά πεδία όπως αυτό είναι μερικές από τις καλύτερες υποψήφιες τοποθεσίες για να έχει εμφανιστεί ζωή σε μια νεαρή Γη και μπορεί να φιλοξενούν άφθονη ζωή σε μια ποικιλία εξωπλανητών. This aerial view of Grand Prismatic Spring in Yellowstone National Park is one of the most iconic hydrothermal features on land in the world. The colors are due to the various organisms living under these extreme conditions, and depend on the amount of sunlight that reaches the various parts of the springs. Hydrothermal fields like this are some of the best candidate locations for life to have first arisen on a young Earth, and may be home to abundant life on a variety of exoplanets. Credit: Jim Peaco/National Parks Service

Πώς μπορούμε να είμαστε σίγουροι για τα ακατέργαστα συστατικά που υπήρχαν; Η καλύτερη ένδειξη για αυτό είναι η σύνθεση αστεροειδών, κομητών και μετεωριτών. Όταν εξετάζουμε το εσωτερικό αυτών των πρωτόγονων αντικειμένων — πολλά από τα οποία μπορούμε να χρονολογήσουμε πριν από ~4,56 δισεκατομμύρια χρόνια — διαπιστώνουμε:

• περιέχουν πάνω από 80 μοναδικά αμινοξέα,
• πολλά αμινοξέα υπάρχουν τόσο για αριστερόχειρες όσο και για δεξιόχειρες, παρόλο που όλα αυτά που συμμετέχουν στις ζωτικές διεργασίες στη Γη είναι αποκλειστικά για αριστερόχειρες ,
• Υπάρχουν επίσης οργανικά μόρια με βάση τον άνθρακα, από τα απλά (όπως  τα σάκχαρα ) έως τα ενδιάμεσα (όπως  η εξαμεθυλενοτετραμίνη ) και τα σύνθετα (όπως  οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες ),
• και, πολύ βαθιά, και οι πέντε νουκλεοβάσεις που κωδικοποιούν γενετικές πληροφορίες στη Γη υπάρχουν και σε μετεωρίτες.

Αν δημιουργήσετε ένα περιβάλλον πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά και οργανικά συστατικά στο εργαστήριο, μπορείτε να κάνετε πράγματα όπως να δημιουργήσετε ένα ανάλογο της πρώιμης Γης. Μπορείτε να εφαρμόσετε ενέργεια σε αυτό, να επιτρέψετε αλλαγές φάσης και να επιτρέψετε τη μακροπρόθεσμη χημική σύνθεση. Μεγάλα, σύνθετα μόρια εμφανίζονται εύκολα, συμπεριλαμβανομένων ολοκληρωμένων νουκλεοτιδίων, σύνθετων πρωτεϊνών και ενζύμων. Θα συνθέσετε όχι μόνο σάκχαρα αλλά και πολυσακχαρίτες, ακόμη και άμυλα, καθώς και μόρια που έχουν πολλές ομοιότητες με τις σύγχρονες χοληστερόλες, αλκοόλες και λιπίδια.

Ο τότε μεταπτυχιακός φοιτητής Chao He μπροστά από τον θάλαμο αερίων στο πλανητικό εργαστήριο Horst στο Johns Hopkins, το οποίο αναδημιουργεί συνθήκες που υποψιάζεται ότι υπάρχουν στις ομίχλες των ατμοσφαιρών των εξωπλανητών. Υποβάλλοντάς το σε συνθήκες που έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται εκείνες που προκαλούνται από τις εκπομπές υπεριώδους ακτινοβολίας και τις εκκενώσεις πλάσματος, οι ερευνητές εργάζονται για την ανάδυση οργανικών ουσιών και ζωής από μη-ζωή. Then-graduate student Chao He in front of the gas chamber in the Horst planetary lab at Johns Hopkins, which recreates conditions suspected to exist in the hazes of exoplanet atmospheres. By subjecting it to conditions designed to mimic those induced by ultraviolet emissions and plasma discharges, researchers work toward the emergence of organics, and life, from non-life. Credit: Chanapa Tantibanchachai/Johns Hopkins University

Πολλά πολύπλοκα, μακράς αλυσίδας μόρια πρόκειται να σχηματιστούν σε ένα περιβάλλον όπως αυτό. Τα αμινοξέα θα συναρμολογηθούν, θα συνδεθούν και θα σχηματίσουν πρωτεΐνες. Οι περισσότερες από αυτές τις πρωτεΐνες θα είναι εντελώς ανενεργές. Δεν θα εκτελούν καμία βιολογικά χρήσιμη λειτουργία. Ωστόσο, αν αντικαταστήσετε το ουδέτερο άτομο στο τέλος μιας από αυτές τις πρωτεΐνες με ένα ιόν - ιδιαίτερα με ένα ιόν βαρέος στοιχείου, όπως το μαγνήσιο - τότε αυτή η πρωτεΐνη γίνεται ένζυμο. Ξαφνικά, η προηγουμένως άχρηστη πρωτεΐνη σας αποκτά την ικανότητα να κάνει πράγματα όπως:

• διασπά τα μόρια στα δύο,
• καταλύουν χημικές αντιδράσεις που απελευθερώνουν ενέργεια,
• και μετατρέπουν προηγουμένως «άχρηστα» μόρια σε πηγή τροφής ή/και θρεπτικών συστατικών.

Αυτό δεν είναι ένα επιστημονικά επικυρωμένο σενάριο που απεικονίζει πώς πρέπει να ξεκίνησε η ζωή στη Γη, αλλά μάλλον ένα εύλογο σενάριο για το πώς, πριν υπάρξει οτιδήποτε άλλο (μια κυτταρική μεμβράνη, μια σειρά νουκλεϊκών οξέων που κωδικοποιούσαν πληροφορίες ή ακόμα και η ικανότητα αναπαραγωγής), θα μπορούσαν να υπήρχαν μόρια που διεξάγουν μεταβολική δραστηριότητα.

Όπως αποδείχθηκε για πρώτη φορά σε μια πρωτοποριακή εργασία το 2013, αυτή η ιδέα της ανάπτυξης της ζωής με προτεραιότητα τον μεταβολισμό θα πρέπει να θεωρηθεί, αν όχι η προεπιλεγμένη ιστορία για το πώς αναπτύχθηκαν οι βιολογικές διαδικασίες της ζωής εδώ στη Γη, τουλάχιστον ένα προεπιλεγμένο συστατικό της ιστορίας.

Βαθιά κάτω από τη θάλασσα, γύρω από υδροθερμικές πηγές, όπου δεν φτάνει το ηλιακό φως, η ζωή εξακολουθεί να ευδοκιμεί στη Γη. Το πώς να δημιουργηθεί ζωή από μη-ζωή είναι ένα από τα μεγάλα ανοιχτά ερωτήματα στην επιστήμη σήμερα, αλλά οι υδροθερμικές πηγές είναι μια από τις κορυφαίες τοποθεσίες όπου μπορεί να προέκυψαν για πρώτη φορά οι πρώτες μεταβολικές διεργασίες, ο πρόδρομος των ζωντανών οργανισμών. Αν μπορεί να υπάρξει ζωή εκεί κάτω στη Γη, ίσως υποθαλάσσια στην Ευρώπη ή τον Εγκέλαδο, υπάρχει και εκεί κάτω ζωή. Deep under the sea, around hydrothermal vents, where no sunlight reaches, life still thrives on Earth. How to create life from non-life is one of the great open questions in science today, but hydrothermal vents are one of the leading locations where the first metabolic processes, the precursor to living organisms, may have first arisen. If life can exist down there on Earth, perhaps undersea on Europa or Enceladus, there’s life down there, too. Credit: NOAA Office of Ocean Exploration and Research

Αυτή η μετατροπή από μια άχρηστη πρωτεΐνη σε ένα χρήσιμο ένζυμο μπορεί να συμβεί όχι μόνο σε καταστάσεις υδροθερμικού πεδίου, αλλά και σε παλιρροιακές λίμνες, γύρω από υδροθερμικές οπές στον πυθμένα του ωκεανού, στη διεπαφή θάλασσας/αέρα ή σε άλλες τοποθεσίες όπου επιμένουν συνθήκες μη ισορροπίας. Τα αμινοξέα αλληλεπιδρούν και συγκρούονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας και σπάζοντας αυθόρμητα δεσμούς. Ιόντα έρχονται και συνδέονται με αυτά τα πρωτόγονα πεπτίδια, δημιουργώντας ένζυμα. Αν και αυτά τα μόρια είναι εύθραυστα και εύκολα στην καταστροφή ή την μετουσίωση, είναι πάρα πολλά και βρέθηκαν σε υψηλές συγκεντρώσεις σε αυτά τα πρώιμα περιβάλλοντα, δημιουργώντας άφθονες δυνατότητες - που δημιουργούνται από τα τόσο μεγάλα - μόλις και μετά βίας - ακατανόητα μαθηματικά της συνδυαστικής - που πραγματικά μπερδεύουν το μυαλό.

Ορισμένες από τις πρωτεΐνες που σχηματίστηκαν πιθανότατα απέκτησαν την ικανότητα να εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες απλώς τυχαία. Αυτές οι λειτουργίες μπορεί να περιελάμβαναν την ικανότητα να:

• συσσωρεύουν πόρους, συμπεριλαμβανομένων συγκεκριμένων πεπτιδίων που μπορούν να χρησιμεύσουν ως τροφή,
• διασπούν/ανασυνδυάζουν άλλα μόρια με τρόπο που απελευθερώνει αξιοποιήσιμη ενέργεια στη διαδικασία,
• «δαγκώνουν» ή διασπούν άλλα χρήσιμα μόρια, απελευθερώνοντας ενέργεια ενώ τα ίδια παραμένουν άθικτα.

Όπως και να 'χει, η δημοσίευση του 2013 έδειξε ότι η αυθόρμητη δημιουργία αυτών των μεταβολικών πεπτιδίων είναι σχεδόν αναπόφευκτη. Στη συνέχεια, πριν από λιγότερο από 10 χρόνια, σημειώθηκε μια άλλη απίστευτη βιολογική ανακάλυψη στην έρευνα για την προέλευση της ζωής: η ανακάλυψη της συνεξέλιξης RNA-πεπτιδίου.

Σε ένα υδατικό περιβάλλον, οι νουκλεοβάσεις — τα γενετικά «γράμματα» δομών όπως το RNA, το DNA ή ακόμα και το PNA (πεπτιδικά νουκλεϊκά οξέα) — μπορούν να ευθυγραμμιστούν κατά μήκος των διαφόρων αμινοξέων σε μια πεπτιδική αλυσίδα . Εάν κάθε αμινοξύ μπορεί να ζευγαρωθεί με το αντίστοιχο κωδικόνιο τριών νουκλεοβάσεων, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να «ξεκολλήσει» και να τραβήξει επιπλέον αμινοξέα σε αυτήν τη γενετική αλυσίδα,  μπορούν να αναπαράγουν αποτελεσματικά, με υψηλό βαθμό ακρίβειας, την αρχική πεπτιδική αλυσίδα.

Αν η ζωή ξεκίνησε με ένα τυχαίο πεπτίδιο που μπορούσε να μεταβολίσει θρεπτικά συστατικά/ενέργεια από το περιβάλλον της, η αντιγραφή θα μπορούσε να προκύψει από τη συνεξέλιξη πεπτιδίου-νουκλεϊκού οξέος. Εδώ, απεικονίζεται η συνεξέλιξη DNA-πεπτιδίου, αλλά θα μπορούσε να λειτουργήσει με RNA ή ακόμα και PNA ως νουκλεϊκό οξύ. Ο ισχυρισμός ότι χρειάζεται μια «θεϊκή σπίθα» για να προκύψει η ζωή είναι ένα κλασικό επιχείρημα του «Θεού των κενών», αλλά ο ισχυρισμός ότι γνωρίζουμε ακριβώς πώς προέκυψε η ζωή από τη μη ζωή είναι επίσης μια πλάνη. Αυτές οι συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων των βραχωδών πλανητών με αυτά τα μόρια που υπάρχουν στις επιφάνειές τους, πιθανότατα υπήρχαν μέσα στα πρώτα 1-2 δισεκατομμύρια χρόνια της Μεγάλης Έκρηξης. If life began with a random peptide that could metabolize nutrients/energy from its environment, replication could then ensue from peptide-nucleic acid coevolution. Here, DNA-peptide coevolution is illustrated, but it could work with RNA or even PNA as the nucleic acid instead. Asserting that a “divine spark” is needed for life to arise is a classic “God-of-the-gaps” argument, but asserting that we know exactly how life arose from non-life is also a fallacy. These conditions, including rocky planets with these molecules present on their surfaces, likely existed within the first 1-2 billion years of the Big Bang. Credit: A. Chotera et al., Chemistry Europe, 2018

Το σενάριο της συνεξέλιξης RNA-πεπτιδίου, αν και νέο στην πράξη, έχει αποκτήσει γρήγορα οπαδούς και θεωρείται από πολλούς ως μια κορυφαία θεωρία για την προέλευση της ζωής όχι μόνο εδώ στη Γη, αλλά πιθανώς οπουδήποτε υπάρχουν οι συνθήκες για την εμφάνιση της ζωής. Τα όρια μεταξύ χημικών και βιολογικών διεργασιών είναι θολά, αλλά η ιδέα ενός πρωτόγονου μορίου που μπορεί να μεταβολίζει θρεπτικά συστατικά που βρίσκονται πανταχού παρόντα στο περιβάλλον του είναι εξαιρετικά ελκυστική. Εάν στη συνέχεια έχετε αφθονία νουκλεϊκών οξέων και αυτά τα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να ευθυγραμμιστούν αυθόρμητα κατά μήκος των αλληλουχιών αμινοξέων που μπορούν να κωδικοποιήσουν το DNA, το RNA ή ακόμα και το PNA, αποκτάτε έναν μηχανισμό για ένα άλλο βασικό συστατικό της ζωής: την αντιγραφή.

Αν έχετε έναν μεταβολικό αντιγραφέα που μπορεί να αναπαραχθεί με επιτυχία πριν το περιβάλλον του εξαντλήσει τους πόρους του, μετουσιώσει το μόριο ή το οδηγήσει με άλλο τρόπο σε εξαφάνιση, τότε τα επόμενα βήματα μπορούν να αρχίσουν να μπαίνουν στη θέση τους, με την ανάπτυξη κυτταρικών τοιχωμάτων ή μεμβρανών που οριοθετούν το «εσωτερικό» ενός οργανισμού από το «εξωτερικό» που είναι το κυριότερο μεταξύ τους.

Έχουμε ακόμα πολύ δρόμο να διανύσουμε για να προσδιορίσουμε αν η ζωή είναι κοινή, ασυνήθιστη, σπάνια ή ακόμα και μοναδική στο Σύμπαν. Η ζωή εδώ στη Γη παραμένει το μόνο παράδειγμα που γνωρίζουμε. Ωστόσο, τα στοιχεία για την προέλευσή μας δεν είναι γραμμένα μόνο στην ιστορία της Γης, αλλά και στους νόμους και τις συνθήκες που υπάρχουν σε όλο το Σύμπαν. Αν η ζωή συνέβαινε εδώ, θα μπορούσε να συμβεί και αλλού. Ίσως η πρώτη μας ανίχνευση ζωής σε άλλους κόσμους να συμβεί στο πολύ εγγύς μέλλον. Ίσως αυτή η ανακάλυψη, σε συνδυασμό με ορισμένες βασικές γνώσεις για το πώς εμφανίστηκε η ζωή για πρώτη φορά στη Γη, να μας επιτρέψει να κατανοήσουμε επιτέλους αν ο μεταβολισμός, και όχι η κυτταρική δομή ή ένας υποκείμενος γενετικός κώδικας, είναι το κλειδί που ξεκλειδώνει την εμφάνιση της ζωής γενικότερα.

Αυτό το άρθρο αποτελεί μέρος του μηνιαίου τεύχους του Big Think,  Biology's New Era.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/metabolism-begun-life-earth/