Nowe odkrycie pomoże wyjaśnić zagadkę powstania życia

Początki życia na Ziemi stanowią nie lada zagadkę, pełną dziur i brakujących ogniw, które nieustannie staramy się łatać nową wiedzą. Najnowsze odkrycie może pomóc nam wyjaśnić jak z prostych związków organicznych powstały bardziej skomplikowane struktury.

Zupa pierwotnych związków

Zgodnie ze współczesną wiedzą życie na Ziemi pojawiło się około 4 miliardów lat temu. Nie wiadomo jednak, jak do tego doszło. Rozwiązanie tej zagadki wymaga odpowiedzi na kilka pytań: jak powstały pierwsze proste związki organiczne? Co sprawiło, że stały się bardziej złożone? W jaki sposób zaczęły „współpracować” ze sobą, tworząc pierwotną maszynerię komórkową?

Na pierwsze z nich spróbowali odpowiedzieć przed laty chemicy Aleksander Oparin oraz John Haldane. W latach 30 XX wieku zaproponowali niezależnie od siebie hipotezę, którą 20 lat później z sukcesem sprawdził Stanley Miller.  Pod wpływem wyładowań elektrycznych uzyskał on proste związki organiczne (m.in. aminokwasy, kwasy tłuszczowe) z gazowej mieszanki składników nieorganicznych.

Jednakże z czasem okazało się, że niezbędne do zaistnienia powyższych reakcji warunki atmosferyczne nie istniały wówczas na Ziemi. Niemniej udowodniono, że związki organiczne mogą powstawać samoistnie przy spełnieniu odpowiednich okoliczności.

Choć pomysł Oparina i Haldane został obalony, to na ich miejsce wskoczyły  nowe hipotezy (takie jak „zimna zupa” i „gorąca pizza”) uwzględniające faktyczne warunki panujące niegdyś na naszej planecie. W przeciwieństwie do pierwotnego pomysłu, źródeł życia szukają nie na powierzchni Ziemi, lecz w oceanach. Obecnie na popularności zyskują hipotezy zakładające powstanie pierwszych związków organicznych w pobliżu podwodnych wulkanów i kominów hydrotermalnych.

Enzymatyczny klucz 

Proste związki organiczne to jednak wierzchołek góry lodowej – same w sobie nie stanowią życia, choć niezbędne są do jego zaistnienia. Dużo trudniej wyjaśnić jest, jak zaczęły się pierwsze procesy biologiczne. W tym celu niezbędna jest bowiem obecność enzymów, czyli związków chemicznych, które dzięki swojej budowie pozwalają niczym zębatki w maszynie przeprowadzać reakcje w komórce.

Żeby z prostej materii organicznej utworzyć bardziej skomplikowaną, potrzebna jest ich pomoc. Enzymy współczesnych organizmów to głównie rozbudowane białka o dużym stopniu specjalizacji —  większość odpowiada za konkretną dla siebie reakcję. Wydaje się, że na początku istnienia życia były to raczej nieduże, wielozadaniowe i niebiałkowe związki zdolne do przetwarzania pływających wokół substancji organicznych.

Niedawno grupa chemików z Instytutu Badawczego Scripps w Kalifornii ustaliła nowego kandydata, do miana pierwotnego enzymu. Obiektem ich zainteresowania był diamidofosforan (DAP) —  prosty związek o niezwykłych możliwościach. Badacze odkryli, że posiada on właściwości kinaz, czyli kluczowych dla funkcjonowania organizmu enzymów.

Odpowiadają one za reakcje fosforylacji, czyli przyłączania grupy fosforanowej do danej cząsteczki. Ten z pozoru mało znaczący proces jest w rzeczywistości jednym z najważniejszych mechanizmów, pozwalających na tworzenie złożonych substancji chemicznych, a także przenoszenie i magazynowanie energii.

Badacze stworzyli wodną mieszaninę zawierającej podstawowe związki organiczne takie jak nukleozydy, aminokwasy oraz kwasy tłuszczowe. Ku ich zaskoczeniu po dodaniu do niej DAP zaobserwowali powstawanie bardziej złożonych struktur: krótkich łańcuchów białkowych (oligopeptydy), kwasów nukleinowych (oligonukleotydy) i lipidów na drodze fosforylacji.

Początek życia

Założeniem eksperymentu była więc obecność prostych związków organicznych na Ziemi rozpuszczonych w wodzie, które jak wiemy, mogą powstawać samoistnie w odpowiednich warunkach. Doświadczenie pokazało, że obecność DAP w takiej mieszaninie, może spowodować tworzenie się bardziej skomplikowanych budulców organizmów żywych. Lipidy  tworzą bowiem błony komórkowe, w których znajdują się kwasy nukleinowe (DNA, RNA) oraz białka (pełniące funkcje enzymów).

Co ciekawe, DAP działał dość powolnie, nawet po dodaniu magnezu, cynku i imidiazolu, które zwiększały szybkość reakcji. Niektóre związki powstawały dopiero po kilku tygodniach, a nawet miesiącach.

Choć obecność DAP na pradawnej Ziemi nie jest w żaden sposób potwierdzona, to z racji na jego prostą budowę chemiczną istnieje na to duża możliwość. To właśnie nad tym problemem koncentrują się teraz badacze. Ich zdaniem DAP mógł powstawać z bogatych w fosfor skał lub lawy reagujących z amoniakiem.

Możliwe, że takie warunki występowały, chociażby w pobliżu podwodnych wulkanów. Jeśli DAP rzeczywiście występował na Ziemi 4 miliardy lat temu, to może okazać się jednym z najważniejszych związków chemicznych w naszej historii.