Читать книгу Życie i ewolucja biosfery - January Weiner - Страница 42

Teoria ewolucji Darwina wyjaśniła wiele spraw przedtem niezrozumiałych, postawiła równocześnie szereg pytań, które zainicjowały intensywny rozwój nauk biologicznych. Jednym z tych, które najdłużej pozostają otwarte, jest zagadka pochodzenia życia. Próby odpowiedzi na to pytanie sprowadzały się do mniej lub bardziej fantastycznych spekulacji, niespełniających rygorów poprawnej metodologii. Co jakiś czas powracała, w mniej lub bardziej zmienionej formie, hipoteza o pozaziemskim pochodzeniu życia na naszej planecie. W 1986 roku do tezy tej wrócił znany z ekscentryczności brytyjski astrofizyk Fred Hoyle, który sądził, że życie mogło powstać w warunkach, jakie panują gdzieś w przestrzeni kosmicznej i dopiero stamtąd „zainfekowało” Ziemię. Hoyle nie odwoływał się przy tym do żadnych sił nadnaturalnych, a poparciem dla jego tezy może być niedawne wykrycie jednego z aminokwasów, glicyny, w obłokach materii międzygwiazdowej, odkrycie kilkunastu aminokwasów i innych związków organicznych w meteorycie Murchison, który spadł w Australii w 1969 roku (Schmitt-Koplin i in., 2010), a także eksperymenty laboratoryjne, dowodzące, że w warunkach przestrzeni kosmicznej może zachodzić synteza głównych składowych RNA i DNA (zasad purynowych i pirymidynowych; Oba i in., 2019). Francis Crick (ten sam, który z Watsonem odkrył strukturę DNA) lansował natomiast pogląd, iż życie na Ziemi nie tylko pochodzi z kosmosu, ale zostało stamtąd świadomie na naszą planetę przeszczepione; nie sposób zgadnąć, w którym miejscu wywodów Cricka kończy się eseistyka popularnonaukowa, a zaczynają figle.

Możliwy do przyjęcia przez naukę scenariusz powstania życia na Ziemi jako pierwsi przedstawili rosyjski biochemik Aleksander Oparin (w 1924 roku) i — niezależnie, pięć lat później — brytyjski biolog John B.S. Haldane. Obaj zakładali, iż związki węgla i azotu, a także wodór, w beztlenowej, redukującej atmosferze, w obecności ultrafioletu i wyładowań elektrycznych, mogły utworzyć znaczną ilość mono- i polimerów organicznych. Oparin spekulował, iż związki te mogły utworzyć koloidalną zawiesinę pęcherzykowatych struktur („koacerwat”), które były prekursorami komórek. Sam eksperymentował z koacerwatami wytwarzanymi w środowisku wodnym z gumy arabskiej i żelatyny. Również Haldane zakładał, że mieszanina związków chemicznych (którą nazwał „cienką zupką”) została podzielona na kropelki, odizolowane błonami lipidowymi. Te hipotezy oparte były na dobrze ugruntowanej wiedzy fizykochemicznej i zostały dość szeroko zaakceptowane, a termin „zupa pierwotna” wszedł nawet do języka potocznego. Ważnym postulatem Oparina było założenie, że pierwsze organizmy były heterotrofami.

Hipoteza Oparina–Haldane’a była znacznie bardziej rygorystyczna metodologicznie niż poprzednie spekulacje i nadawała się do eksperymentalnej weryfikacji. W przełomowych dla biologii latach 50. XX wieku dokonał tego Stanley L. Miller — wówczas doktorant w laboratorium Harolda C. Ureya (ramka 3.1). Eksperyment polegał na przepuszczaniu iskier elektrycznych przez mieszaninę gazów: pary wodnej, metanu, amoniaku i wodoru. Opublikowane w dwustronicowym artykule w „Science” (Miller 1953) wyniki były rewelacyjne. Po tygodniowym eksperymencie w retorcie powstała mieszanina związków organicznych, zawierająca m.in. 20 aminokwasów, mocznik, proste kwasy tłuszczowe i inne.

Ramka 3.1. Eksperyment Ureya i Millera

Aparat Millera składał się z reaktora (1), w którym prąd o napięciu 60 000 V wytwarzał iskry elektryczne, chłodnicy (2), gdzie gazowe produkty reakcji ulegały skropleniu, i podgrzewanej kolby (3), gdzie wytwarzała się para wodna. Produkty reakcji można było odbierać w punkcie (4). W doświadczeniach 1 i 2 jako substrat (oprócz wody) podawano mieszaninę gazów: H2, CH4 i NH3, pod ciśnieniami parcjalnymi 100, 200 i 200 mm Hg, odpowiednio; w doświadczeniu 6 mieszanina składała się z H2, CH4 i N2 (wg Millera, 1960)

Lista produktów reakcji (w molach × 105) Związek Dośw. 1 Dośw. 2 Dośw. 6 Glicyna 63 80 14,2 Alanina 34 9 1,0 Sarkozyna 5 86 1,5 β-alanina 15 4 7,0 Kwas α-aminomasłowy 5 1 — N-metyloalanina 1 12,5 — Kwas asparaginowy 0,4 0,2 0,3 Kwas glutaminowy 0,6 0,5 0,5 Kwas iminodwuoctowy 5,5 0,3 3,9 Kwas iminooctowopropionowy 1,5 — — Kwas mrówkowy 233 149 135 Kwas octowy 15,2 135 41 Kwas propionowy 12,6 19 22 Kwas glikolowy 56 28 32 Kwas mlekowy 31 4,3 1,5 Kwas α-hydroksymasłowy 5 1 — Kwas bursztynowy 3,8 — 2 Mocznik 2 — 2 Metylomocznik 1,5 — 0,5 Suma jako % wszystkich produktów reakcji 15 3 8

Hipoteza Oparina–Haldane’a i eksperyment Millera zapoczątkowały systematyczne badania naukowe, które polegają na proponowaniu spójnych logicznie hipotez i próbie ich eksperymentalnej falsyfikacji. W badaniach nad pochodzeniem życia można wyodrębnić trzy równocześnie stosowane strategie: „od dołu”, „od góry” i „tu i teraz”. Strategia „od dołu” polega na próbach odtworzenia wczesnej historii Ziemi. Badania geologiczne i paleogeo­chemiczne pozwalają ustalić warunki, jakie istniały na Ziemi od jej powstania, w szczególności w najstarszym okresie, kiedy życie mogło się pojawić. Paleontologia i paleobiogeochemia odnajdują, identyfikują i interpretują pozostałości organizmów i ślady ich działalności. Badania astrobiologiczne, chociaż na razie nie wiadomo, czy w ogóle istnieje ich przedmiot, mogą rzucić światło na powstanie życia na Ziemi, dostarczając danych o występowaniu związków organicznych w przestrzeni pozaziemskiej.

Druga strategia polega na odtwarzaniu historii życia na podstawie dokładnych badań porównawczych współcześnie żyjących organizmów. Identyfikacja ich wspólnych cech (w zakresie cytologii, biochemii, genetyki molekularnej) pozwala odtworzyć warunki, w jakich życie mogło powstać. Rekonstrukcja filogenezy na podstawie pokrewieństw ustalanych w drodze badań molekularnych, datowanie dywergencji linii rozwojowych, mogą doprowadzić do ostatniego wspólnego przodka.

Trzeci kierunek badawczy, „tu i teraz”, to eksperymentalne testowanie hipotez, które są zainspirowane danymi „z dołu” i „z góry”, także odkryciami na temat współczesnych przejawów życia w środowiskach skrajnie nieprzyjaznych. Eksperymenty laboratoryjne, testujące szczegółowe hipotezy, które składają się na prowizoryczne scenariusze etapów rozwoju życia na Ziemi, to domena chemii, biochemii i biologii molekularnej. Przykładem była symulacja warunków, jakie mogły kiedyś być na Ziemi, jak to zrobił Miller, czy też współczesne próby skonstruowania działających modeli żywych komórek.