Według jednej z hipotez prymitywne życie przedkomórkowe powstało ponad cztery miliardy lat temu na lądzie pośród wulkanów i fumaroli, co zapewniło całą chemię niezbędną do jego ochrony i odżywiania. Mogło się to zdarzyć zarówno na Ziemi, jak i na Marsie.
Żywa komórka to bardzo złożony organizm, który łączy w sobie wiele elementów, mechanizmów i procesów. Jak powstała, nie jest znana. Niektórzy naukowcy próbują syntetyzować komórkę jako całość, inni przechodzą od prostych do złożonych, zastanawiając się, w jaki sposób jej części składowe powstawały oddzielnie, a następnie ewoluowały przez miliardy lat.
Przez długi czas uważano, że życie powstało w oceanach, ale ostatnio ten punkt widzenia jest krytykowany. Chociaż woda jest częścią komórki, jest szkodliwa dla spontanicznej syntezy biocząsteczek. Ponadto nie ma dowodów na to, że morza i oceany istniały na powierzchni planety ponad cztery miliardy lat temu, kiedy przypuszczalnie rozpoczął się proces powstawania życia.
Chemia świata RNA
Rolę proto-życia przypisują cząsteczkom kwasu rybonukleinowego RNA. Potrafią przechowywać informacje, odtwarzać, syntetyzować białka i samodzielnie pełnić wiele różnych funkcji, które we współczesnej komórce przejęły DNA, enzymy i inne cząsteczki biologiczne.
Cząsteczki RNA składają się z naprzemiennych nukleotydów połączonych mostkami tlenowymi. Naukowcy od dawna próbują odtworzyć ogniwa łańcucha polimerowego tej złożonej cząsteczki, ale przełom nastąpił dopiero w 2009 roku, kiedy brytyjscy naukowcy Matthew Powner i John Sutherland opublikowali wyniki eksperymentów nad syntezą dwóch nukleotydów RNA - cytozyny i uracylu. Otrzymano je w warunkach laboratoryjnych z prostej materii organicznej i fosforanu po napromieniowaniu ultrafioletem.
„Zsyntetyzowali całkowicie dwa naturalne nukleotydy. To był ogromny przełom”- mówi RIA Novosti Armen Mulkidzhanyan, doktor nauk biologicznych, pracownik Instytutu Biologii Fizykochemicznej im. A. N. Belozerskiego, Moskiewskiego Uniwersytetu Łomonosowa, pracownik Wydziału Fizyki Uniwersytetu Osnabrück (Niemcy).
Film promocyjny:
Nukleotyd składa się z zasady azotowej, cukrów (rybozy) i grup fosforanowych, po przyłączeniu do których magazynowana jest energia. Alexander Butlerov pokazał, jak uzyskać mieszaniny cukrów złożonych z materii organicznej w 1859 roku. Półtora wieku później amerykański chemik Steven Benner odkrył, że aby ta reakcja mogła selektywnie tworzyć rybozę, potrzebny jest tlenek molibdenu jako katalizator. Ponadto, aby ustabilizować powstałe cukry, potrzeba dużo boranów - soli kwasu borowego. Benner wysunął teorię, że takie warunki chemiczne mogą istnieć gdzieś na pustyniach, takich jak suche, bazaltowe szczyty Marsa.
„Rzeczywiście, wczesny Mars i Ziemia były bardzo podobne. Mars mógł mieć jeszcze bardziej utlenioną atmosferę niż starożytna Ziemia i znaleziono tam złoża boranu, co sugeruje długotrwałą aktywność geotermalną. Połowa terytorium Marsa składa się ze skał starszych niż cztery miliardy lat, więc warto szukać tam śladów życia. Ze względu na tektonikę płyt skały z tego wieku nie przetrwały na Ziemi”- wyjaśnia Mulkidzhanyan.
Wulkan Solfatara, Phlegraean Fields, Włochy / CC BY 2.0 / NH53 / Solfatara, Phlegraean Fields.
Nie ma życia bez światła
Specjalista ds. Energetyki komórkowej Armen Mulkidzhanyan od dawna zajmuje się problemem pochodzenia życia, który ma czcigodne tradycje w nauce radzieckiej i rosyjskiej. Dość powiedzieć, że akademik Alexander Oparin jest uważany za ojca założyciela tego kierunku naukowego na całym świecie.
Mulkidzhanyan i współpracownicy zasugerowali, że światło ultrafioletowe może być kluczowym czynnikiem w wyborze pierwszych biomolekuł. Starożytna atmosfera nie zawierała ani tlenu, ani ozonu. Zatrzymał te biomolekuły, które na początku mogły być po prostu ogrzewane przez promienie słoneczne bez rozkładu. Świadczy o tym fakt, że wszystkie naturalne zasady azotowe RNA mają tę właściwość. Ale żyjące protoorganizmy z trudem wytrzymałyby ostre promieniowanie kosmiczne, uważa biolog. Oznacza to, że nie może być mowy o ich dostarczeniu przez meteoryty z Marsa na Ziemię.
Pola geotermalne, które tworzą się wokół wulkanów, nadają się do powstania życia. Zamiast wody, jak w gejzerach, z gorących źródeł wydostaje się para nasycona wszystkimi niezbędnymi składnikami. Zawiera dwutlenek węgla, wodór, amoniak, siarczki, fosforany, molibden, borany, potas - i jest go więcej niż sodu. Potas dominuje również w komórkach wszystkich organizmów, ponieważ w przeciwnym razie biosynteza białek jest niemożliwa. Jak wykazali Mulkidzhanyan i współpracownicy, potas jest niezbędny do funkcjonowania najstarszych białek. Bioinformatyka Evgeny Kunin zdołał je obliczyć w 2000 roku podczas rekonstrukcji wspólnego przodka wszystkich organizmów komórkowych - LUCA (Last Universal Cellular Ancestor).
Białka kodujące geny LUCA również wykorzystują jony cynku jako katalizatory lub elementy budulcowe.
„Siarczki cynku mogą tworzyć wszystkie bakterie. Co ciekawe, kryształy siarczku cynku i podobnego siarczku kadmu są w stanie zredukować dwutlenek węgla w świetle ultrafioletowym do organicznych, potencjalnie „jadalnych” cząsteczek. Dlatego pierwsze żywe organizmy mogły pokryć się kryształami tych minerałów, aby chronić się przed promieniowaniem ultrafioletowym i zdobyć pożywienie”- wyjaśnia naukowiec.
Cynk jest substancją lotną, powoli krystalizuje i wytrąca się, w przeciwieństwie do żelaza i miedzi, na obrzeżach pól geotermalnych, gdzie nie jest gorący.
„Na chłodnych obrzeżach takich pól wokół gorących źródeł termalnych mogły powstawać 'pierścienie życia'” - podsumowuje naukowiec.
Pola geotermalne nadal istnieją na Ziemi - w przeciwieństwie do Marsa, którego wnętrzności ostygły. Armen Mulkidzhanyan wraz z geochemikiem Andriejem Byczkowem z Uniwersytetu Moskiewskiego im. Łomonosowa badali warunki chemiczne fumaroli w pobliżu wulkanu Mutnowskiego na Kamczatce. Podobne warunki obserwuje się w Parku Narodowym Yellowstone w Stanach Zjednoczonych, na polach geotermalnych Lardarello we Włoszech i Matsukawa w Japonii.
Niedawno w regionie Pilbara w Australii, w tym samym miejscu, w którym znaleziono najstarsze ślady żyjących społeczności na Ziemi, odkryto ślady pola geotermalnego sprzed 3,5 miliarda lat.
Tatiana Pichugina