4 miesiące temu

Myliliśmy się co do początków życia na Ziemi!

To nie pierwotna zupa lecz podwodne kominy termalne są miejscami, gdzie powstały pierwsze żywe komórki!

zrodla-termalne

Komin termalny emitujący ciekły dwutlenek węgla. Komin Champagne przy wulkanie Northwest Eifuku w Rowie Mariańskim. Źródło NOAA.

Przez prawie dziewięć dekad ulubionym naukowym wyjaśnieniem pochodzenia życia była koncepcja „pierwotnej zupy”, zakładająca, że życie zaczęło się od szeregu reakcji chemicznych, zachodzących w ciepłym zbiorniku wodnym na powierzchni ziemi. 

Początek tym reakcjom miało dać zewnętrzne źródło energii, np. uderzenie pioruna lub promieniowanie ultrafioletowe. Jednak ostatnie badania dodają argumentów dla alternatywnego pomysłu, jakoby życie powstało w głębi oceanów wewnątrz podgrzewanych, skalistych struktur zwanych kominami hydrotermalnymi.

Badania opublikowane w ubiegłym miesiącu w Nature Microbiology sugerują, że ostatni wspólny przodek wszystkich żyjących współcześnie komórek, żywił się gazem wodorowym w gorącym, bogatym w żelazo środowisku podobnym do kominów.

Zwolennicy teorii konwencjonalnej pozostają sceptyczni, jednak hipoteza hydrotermalnych ciągów, która jest często opisywana jako egzotyczna i kontrowersyjna, wyjaśnia w jaki sposób żywe komórki rozwinęły zdolność do pozyskiwania energii, w sposób niemożliwy do zaistnienia w „pierwotnej zupie”.

Życie w pierwotnej zupie

Zgodnie z dotychczasową teorią życie zaczęło się, gdy promienie UV lub piorun spowodowały, że proste związki nieorganiczne połączyły się w bardziej skomplikowane aminokwasy. To doprowadziło do powstania cząsteczek magazynujących informacje podobnych do naszego DNA, w pierwszych prymitywnych komórkach.

Doświadczenia laboratoryjne potwierdzają, że molekularne cegiełki, które tworzą białka i magazynujące informacyjne cząsteczki, mogą powstać w takich warunkach.

Jednak życie to proces bardziej skomplikowany niż tylko replikacja informacji przechowywanych w DNA. Wszystkie żywe organizmy muszą się reprodukować aby przetrwać, a replikacja DNA, składanie nowych białek i budowa komórki od podstaw wymagają ogromnych ilości energii.

U podstaw życia znajdują się więc mechanizmy pozyskiwania energii z otoczenia, przechowywania jej i kierowania do kluczowych reakcji metabolicznych.

Skąd ta energia pochodziła i w jaki sposób się dostała do środowiska – to pytania, które mogą nam powiedzieć o uniwersalnych zasad ewolucji i początkach życia. Najnowsze badania sugerują, że pierwotna zupa nie była odpowiednim rodzajem środowiska do dostarczenia energii dla pierwszych żywych komórek.

Rozmieszczenie kominów hydrotermalnych na świecie. Źródło: NOAA

Rozmieszczenie kominów hydrotermalnych na świecie. Źródło: NOAA

Skąd energia do życia?

Klasyczne założenie mówi, że całe życie na Ziemi jest zasilane energią dostarczaną przez słońce, pochłanianą przez rośliny, lub pozyskiwaną z prostych związków takich jak wodór lub metan. Wszystko co żywe wykorzystuje tę energię w taki sam lecz dość specyficzny sposób.

Proces ten działa jak zapora wodna. Zamiast bezpośrednio zasilać podstawowe reakcje metaboliczne, komórki wykorzystują energię z pożywienia do wpompowania protonów (dodatnio naładowanych atomów wodoru) do rezerwuaru znajdującego się za biologiczną membraną.

W efekcie powoduje to wyższe stężenie protonów po jednej stronie membrany (nazywane koncentracją gradientu). Protony następnie przepływają z powrotem przez „turbiny” molekularne wbudowane w membranę, jak woda przez tamę. Powoduje to wytworzenie związków o wysokiej energii, które następnie są wykorzystywane do napędzania pozostałych czynności życiowych komórki.

Życie może ewoluować wykorzystując każde z niezliczonych źródeł energii dostępnych na Ziemi, od ciepła, wyładowań elektrycznych czy naturalnie radioaktywnych rud.

Wszystkie formy życia są napędzane przez różnice stężeń protonów w błonach komórek. Sugeruje to, że najstarsze żywe komórki pozyskiwały energię w podobny sposób, a samo życie powstały w środowisku, w którym gradient protonowy był najbardziej dostępnym źródłem zasilania.

Koncepcja wentyli

Ostatnie badania oparte o zestawy genów, które prawdopodobnie były obecne w pierwszych żywych komórkach, wskazują na pochodzenie życia z głębinowych hydrotermalnych wentyli.

Porowate struktury geologiczne wytworzone przez reakcje chemiczne między litą skałą a wodą, mogły stanowić miejsce, gdzie narodziło się życie na ziemi. Płyny alkaliczne ze skorupy ziemskiej przepływając przez wentyl w kierunku bardziej kwaśnej oceanicznej wody, tworzą naturalne koncentracje protonów zadziwiająco podobne do tych, które zasilają wszystkie żywe komórki.

Badania sugerują, że w najwcześniejszych etapach ewolucji życia, reakcje chemiczne w prymitywnych komórkach prawdopodobnie napędzane były przez nie-biologiczne gradienty protonowe. Komórki następnie nauczył się tworzyć własne gradienty i opuściły wentyle aby kolonizować resztę oceanu i ostatecznie całą planetę.

Diagram przedstawiający działanie komina hydrotermalnego. Źródło: gns.cri.nz

Diagram przedstawiający działanie komina hydrotermalnego. Źródło: gns.cri.nz

Podczas gdy zwolennicy teorii pierwotnej zupy twierdzą, że wyładowania elektrostatyczne lub słoneczne promieniowanie ultrafioletowe napędzało pierwsze reakcje chemiczne żywych organizmów, obecnie życie nie jest zasilane przez żadne z tych niestabilnych źródeł energii.

Zamiast tego, u podstaw produkcji energii życiowej znajdują się jonowe gradienty pomiędzy błonami biologicznymi. Coś podobnego nie mogło zaistnieć w ciepłych stawach pierwotnego bulionu na powierzchni Ziemi. W takim środowisku związki chemiczne i naładowane cząstki mają tendencję do równomiernego rozmieszczania, a nie do tworzenia gradientu lub innych stanów nierównowagi, które są zasadnicze dla życia.

Głębinowe wentyle hydrotermalne stanowią jedyne znane środowisko, które mogły wygenerować złożone cząsteczki organiczne posiadające taką samą machinę energetyczną jak nowoczesne komórki.

Poszukiwania początków życia w pierwotnej zupie miało sens, kiedy niewiele wiedzieliśmy o uniwersalnych zasad energetyki życia. Ale w miarę jak nasza wiedza się rozszerza, przychodzi czas, aby rozważyć alternatywne hipotezy.

Ta teorie wypełnia lukę w wiedzy na temat energetyki żywych komórek i cząsteczek nieożywionych.