Na tropie ziemskich obcych. Kto ma wspólnego przodka, a kto gardzi tlenem?
Życie na Ziemi musiało się jakoś zacząć. Naukowcy w publikacji, która ukazała się latem 2024 r. w „Nature Ecology & Evolution”, uważają, że tym „jakosiem” jest LUCA (ang. „Last Universal Common Ancestor” – ostatni uniwersalny wspólny przodek). Ów prokariotyczny organizm reprezentuje przodka każdej żywej istoty, od najmniejszych bakterii po wielkie płetwale błękitne (1). Przez lata naukowcy szacowali, że LUCA prawdopodobnie pojawił się na scenie około czterech miliardów lat temu, czyli jakieś 600 milionów lat po uformowaniu się naszej planety. Jednak nowe badanie przeprowadzone przez międzynarodowy zespół naukowców przesuwa LUCA na osi czasu jeszcze dalej, do około 4,2 miliarda lat. W artykule czytamy: „O wspólnym pochodzeniu całego istniejącego życia komórkowego świadczy uniwersalny kod genetyczny, maszyna do syntezy białek, taka sama chiralność (kierunek skręcania) prawie uniwersalnego zestawu dwudziestu aminokwasów i wykorzystanie ATP jako wspólnej waluty energetycznej”.
Fot. wikipedia.org
Nie eksplozja, lecz inwazja kambryjska
Problem w tym, że to, co odkryliśmy do tej pory i wciąż odkrywamy w wielu aspektach, odbiega od tak opisanej „wspólnoty” istot żywych na Ziemi. Odkrywane od lat na Ziemi organizmy zaskakują swoją odmiennością biochemiczną na tyle, że zaczynamy je nazywać „obcymi”. Mogły ewoluować obok „głównego nurtu”, za który uważamy siebie i gatunki, które są naszymi przodkami, ale na podorędziu jest też w rozmaity sposób rozumiana teoria panspermii, według której życie mogło powstać gdzie indziej w kosmosie i trafić na Ziemię, gdzie dało początek ziemskim formom, ale też być może organizmom konkurencyjnym lub rozwijającym się równolegle, ewentualnie krzyżującym się z pierwotnymi formami ziemskimi. Pojawia się też kontrowersyjna koncepcja, że to my jesteśmy obcy, bo według tego myślenia to nasz szczep genetyczny, z którego się wywodzimy, przybył na Ziemię w ramach kolejnego lub któregoś z kolejnych posiewów kosmicznych, gdy na planecie było już „rdzenne”, a może po prostu wcześniej posiane, życie. Najdalej w sferę fantazji odchodzi koncepcja ukrytych form życia, obcych organizmów żyjących obok nas w niedostępnych dla nas formach, np. w wymiarach czasoprzestrzennych niedostępnych dla ludzkich zmysłów. Wszystkie te poglądy to w dużej mierze spekulacje lub fantazje, jednakowoż inspirujące.
Nie o wszystkich organizmach jednak możemy bez wątpliwości powiedzieć, że są rdzenne dla Ziemi. Szeroko komentowane były odkrycia genetyczne związane z głowonogami. Czy te stworzenia to „obcy”? Nie tylko wyglądają dziwnie, ale są też intrygująco inteligentne. W dodatku, jak podali w kwietniu 2017 r. naukowcy, ośmiornice i mątwy regularnie „edytują” swoje RNA. To odróżnia je od reszty świata znanych nam zwierząt. 60 proc. RNA w układzie nerwowym kalmarów pospolitych jest, jak odkryli naukowcy, zmieniane w stosunku do pierwotnego programu genetycznego, z którym się rodzą. Zmiany te np. dostosowują mózg do temperatur w środowisku oceanicznym. Jednak zdolność do fizjologicznych przekształceń na zawołanie ma swoje ograniczenia – stworzenia zmieniają się jedynie w niewielkim tylko stopniu. Według badaczy elastyczność w tych drobnych zmianach oznacza, że organizmy rezygnują z mechanizmów dostosowania ewolucyjnego, na zasadzie coś za coś. Kod RNA w przeciwieństwie do DNA składa się tylko z jednej nici. Jego rolą w naszym organizmie jest przekazywanie informacji genetycznej w produkcji białek. Niektórzy naukowcy uważają, że RNA mogła być oryginalnym DNA, działającym jako stały magazyn kodu genetycznego wśród najwcześniejszych organizmów na Ziemi. W jaki sposób mechanizm ten jest wyzwalany i kontrolowany, jeszcze nie wiadomo.
Według opublikowanego kilka lat temu studium „Cause of Cambrian Explosion – Terrestrial or Cosmic?”, życie na Ziemi nie opiera się wyłącznie na tych kosmicznych blokach konstrukcyjnych, które miały przybywać do nas w okresie wielkiego bombardowania wraz z kometami i asteroidami. Międzynarodowy zespół badaczy zaproponował teorię, że nasza biochemia (lub nie nasza, lecz właśnie głowonogów) została poddana wpływom z kosmosu. Autorzy twierdzą, że chmura „obcego” materiału organicznego prawdopodobnie spadła na Ziemię ok. 500 milionów lat temu, wtedy, gdy, jak się przyjmuje, nastąpiła tzw. kambryjska eksplozja życia. Było to szczególnie dramatyczne wydarzenie w ewolucji mięczaków, zwanych teraz głowonogami. Wyszły wówczas ze swoich muszli i wyewoluowały w ogromną różnorodność stworzeń, które z biegiem setek milionów lat stały się znaną nam dziś ośmiornicą, mątwą lub kalmarem (2). Zdaniem badaczy, eksplozja kambryjska zbiega się z przybyciem na Ziemię z kosmosu nowego materiału genetycznego w postaci np. retrowirusów, który zmienił niektóre stworzenia. W studium znajdujemy sugestie, że przenoszenie życia w przestrzeni kosmicznej miało miejsce prawdopodobnie na większą skalę i nie dotyczyło jedynie retrowirusów. Zdaniem naukowców, do ziemskich oceanów wpadały całe gotowe zestawy zamrożonego materiału genetycznego. „Życie mogło zostać zasiane na Ziemi przez komety, gdy tylko warunki na Ziemi pozwoliły na jego rozkwit (około lub tuż przed 4,1 mld lat temu)”, czytamy w raporcie z badań. „Organizmy żywe, bakterie zdolne do przetrwania w przestrzeni kosmicznej i odporne na działanie zmiennych ziemskich czynników atmosferycznych, wirusy, bardziej złożone komórki eukariotyczne, zapłodnione komórki jajowe i nasiona były od tego czasu nieprzerwanie dostarczane na Ziemię, stając się ważnym motorem ewolucji, co zaowocowało znaczną różnorodnością genetyczną”. Można by to nazwać panspermią wielokrotną.
Fot. AI
Z badań tych wynika więc zarówno, że głowonogi są „obce”, jak też, że wcale nie. Skoro prapraprzodkowie wielu ziemskich gatunków mieli przybyć wcześniej lub później z zewnątrz, to genetyczna linia rodowa ośmiornic, która zawitała do nas nieco później, to nic innego, jak tylko późni Ziemianie. Jeśli występujące u nas mikroorganizmy są w stanie żyć na Marsie lub pod lodami Europy, to być może bardzo podobne do nich formy tam właśnie znajdziemy.
Obcy, który lubi łososie
Parę lat temu naukowcy odkryli pasożyta pochodzącego ewolucyjnie od meduzy, który nie ma genomu mitochondrialnego i nie potrzebuje tlenu do „oddychania”. To pierwszy tego rodzaju organizm wielokomórkowy na Ziemi. Dotychczas można było tak powiedzieć jedynie o pewnej części prymitywnych jednokomórkowców.
Życie na naszej planecie zaczęło rozwijać zdolność do metabolizowania tlenu, czyli oddychania, ponad 1,45 miliarda lat temu. Jest to wyobrażane w tej sposób, że większy archeon pochłonął mniejszą bakterię i ta symbioza była na tyle korzystna dla obu stron, że ten związek okazał się trwały. W toku dalszej wspólnej ewolucji obu organizmów, jednego w drugim, bakterie stały się organellami nazywanymi obecnie mitochondriami. Każda komórka w naszym organizmie, z wyjątkiem czerwonych krwinek, ma dużą liczbę mitochondriów, które są niezbędne w procesach oddychania opartego na tlenie. Rozkładają one ten gaz w celu wytworzenia adenozynotrifosforanu (ATP), podstawowej cząsteczki przenoszącej energię, którą organizmy wielokomórkowe wykorzystują do zasilania procesów komórkowych.
Wiemy, że w naturze istnieją mechanizmy, które pozwalają niektórym organizmom rozwijać się w warunkach niedotlenienia, a niektóre jednokomórkowce wyewoluowały organelle do metabolizmu beztlenowego. Jednak nie odkryto wcześniej beztlenowych organizmów wielokomórkowych. Dopiero zespół badaczy pod kierownictwem Dayany Yahalomi z uniwersytetu w Tel Awiwie w Izraelu, który postanowił ponownie przyjrzeć się pospolitemu pasożytowi łososia o nazwie Henneguya salminicola, zmienił pogląd, że beztlenowe organizmy są możliwe jedynie wśród jednokomórkowców. Gatunek, o którym mowa, to parzydełkowiec, należący do tej samej gromady co koralowce, meduzy i ukwiały, który jako pasożyt potrafi żywić się na ciele łososia przez cały cykl życia ryby. Nie ma przy tym dostępu do tlenu, ani z atmosfery, ani z wody. Szczegółowe badania DNA, sekwencjonowanie i mikroskopia fluorescencyjna doprowadziły do odkrycia, że organizm stracił swój genom mitochondrialny w trakcie ewolucji, przekształcając się z wolno żyjącego przodka meduzy w znacznie prostszego pasożyta, którego znamy dzisiaj. H. salminicola utraciły większość oryginalnego genomu meduzy, ale zachowały złożoną strukturę przypominającą komórki żądlące meduzy. Nie używają ich jednak do żądlenia, ale do przylegania do swoich żywicieli. Mitochondria w tym organizmie stały się wtórnie organellami mitochondriopochodnymi (ang. MRO), co oznacza, że organizm ten nie wykorzystuje oddychania aerobowego, czyli opartego na utlenianiu do wytwarzania potrzebnej mu energii. Jednak, jak dotąd, nie jest znany jego sposób wytwarzania energii. Jest to zatem organizm nie tylko obcy temu, co znamy jako życie, ale w dodatku nie wiadomo, na czym opierają się jego procesy życiowe.
Lubią głębokie podziemia, zupełnie jak Marsjanie
Odkrycia takie jak Henneguya salminicola teoretycznie mogą nam pomóc w poszukiwaniach życia poza naszą planetą. Jednak w praktyce, np. w badaniach Marsa, uczeni nie sięgają aż po wielokomórkowce. Ich porównania zwykle ograniczają się do prostszych organizmów, jednokomórkowych, żyjących w ekstremalnych warunkach, np. głęboko pod powierzchnią Ziemi. Wielu badaczom wydaje się, że podobne formy życia mogłyby funkcjonować we wnętrzu np. Marsa lub pod warstwami lodowymi księżyca Jowisza, Europy czy księżyca Saturna, Enceladusa.
Amerykańscy naukowcy przedstawili kilka lat temu dowody na istnienie ogromnego zbiornika ciekłej wody głęboko w skalistej skorupie Marsa. Dane pochodzą z sejsmicznych badań sondy Mars Insight Lander. Zespół pod kierownictwem Vashana Wrighta, geofizyka z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, doszedł do wniosku, że odebrane fale sejsmiczne przeszły przez warstwy mokrej skały na głębokości od 11,5 do 20 km. Woda podziemna na Marsie otwiera rozważania o możliwości podziemnego życia na tej planecie. Nowa, nieznana biosfera jest okrywana od kilkudziesięciu lat głęboko w Ziemi. Badacze coraz częściej podejrzewają, że życie na Marsie, jeśli istnieje, może kryć się właśnie tam, gdzie kryją się na naszej planecie ekstremofile i inne „obce” organizmy, pod ziemią, głęboko.
Na naszej planecie naukowcy wwiercili się głęboko w dno morskie i kontynenty, znajdując życie w głębokich osadach, a nawet w warstwach litej skały. Większość z tych mieszkańców podziemia to jednokomórkowe mikroorganizmy, bakterie i archeony, grupy istniejące na Ziemi od ponad trzech miliardów lat. Z czasem okazało się, że ta głęboka biosfera jest bardziej zróżnicowana, niż wcześniej sądzono. Badania z 2023 r. przeprowadzone przez badaczy z ETH Zürich wykazały, że większość ekosystemów pod lądem była zdominowana przez dwie grupy, proteobakterie (Pseudomonadota) i Firmicutes. Inne rodzaje bakterii były znacznie rzadsze, ale są wśród nich gromady, których nigdy wcześniej nie widziano.
Mikroby te nie mogą pozyskiwać energii bezpośrednio przy wykorzystaniu światła słonecznego, tak jak robią to organizmy fotosyntetyzujące na powierzchni. Nie otrzymują również raczej żadnego zasilania składnikami odżywczymi z góry. Wiele z tych głębokich ekosystemów jest „całkowicie odizolowanych od powierzchni”, piszą naukowcy. Zamiast fotosyntezy ekosystemy te opierają się na chemosyntezie, czyli pozyskiwaniu energii przez przeprowadzanie reakcji chemicznych pobranych ze skał i wody substancji chemicznych. Na przykład mogą wykorzystywać gazy, metan lub siarkowodór. Mikroby chemosyntetyzujące są inne, lecz nie są całkiem obce, ponieważ, wprawdzie rzadko, ale spotykane są w znanych nam ekosystemach bliżej lub na powierzchni Ziemi. Są to jednocześnie jedne z najstarszych rodzajów organizmów żywych na Ziemi. Niektóre hipotezy dotyczące pochodzenia życia zakładają, że pierwsze życie na Ziemi miało charakter chemosyntetyczny. Prawdopodobnie życie w tych warunkach, przy zazwyczaj niewielkich dostępnych zasobach energii, nie toczy się w oszałamiającym tempie. Organizmy raczej spowalniają swoje procesy życiowe, metabolizm i wszelką aktywność. Nie brakuje opinii, że jedna komórka może tak żyć tysiące lat.
W porównaniu z powierzchnią, populacje podziemnych drobnoustrojów są nieliczne, ale przestrzenie, którymi dysponują, są ogromne. W 2018 roku Cara Magnabosco i jej koledzy z ETH oszacowali skalę biomasy żyjącej pod kontynentami, łącząc dane dotyczące liczby i różnorodności komórek z miejsc wierceń na całym świecie. Ich dane mówią o 2 do 6×1029 komórek we wnętrzu planety, co oznaczałoby, że ok. 70 proc. bakterii i archeonów na Ziemi znajduje się pod ziemią. Nie wiadomo jeszcze, jak głęboko sięga biosfera. Życie prawdopodobnie ma górną granicę temperatury, ale nie wiemy dokładnie, gdzie ona leży. Nic nie może żyć na powierzchni roztopionej lawy, jednak niektóre mikroby mogą wytrzymać zaskakująco wysokie temperatury. Archeon Methanopyrus kandleri (3) może przetrwać i rozmnażać się w temperatu-rze 122 stopni Celsjusza. Badanie próbek pochodzących z jednego z wulkanów błotnych w 2017 r. sugerowało, że życie może istnieć nawet 10 km pod dnem morskim.
Fot. commons.wikimedia.org
Ekstremofile, czyli mikroby żyjące w najbardziej pozornie wrogich środowiskach, są ulubieńcami astrobiologów, którzy badają potencjał życia poza Ziemią. Badaczka ekosystemów jaskiń Penelope Boston, która była m.in. dyrektorem Instytutu Astrobiologii NASA, mówi o organizmach, które są szczęśliwe, będąc zamrożone w wiecznej zmarzlinie przez dziesiątki tysięcy lat i nadal są żywotne, lub takich, które wraz ze swoimi współpracownikami znalazła w bardzo gorących jaskiniach w Chihuahua w Meksyku, uwięzionych w gigantycznych kryształach. Jest zwolenniczką poglądu, że ekstremofile chemosyntetyzujące, które we wczesnym okresie były dominującą formą życia na Ziemi, zostały zepchnięte na margines życia w toku wydarzeń, głównie wskutek tak zwanej „rewolucji tlenowej”, w której gaz ten nagromadził się najpierw w wodach, a potem w atmosferze naszej planety, jako produkt uboczny fotosyntezy rozszczepiającej wodę. Jak sądzi badaczka, wiele pierwotnych nisz życia zostało wypartych przez organizmy tolerujące środowisko tlenowe o niższym stężeniu tego gazu, tak zwane mikroaerofile. Ekstremofile, które nie potrzebują ani nie tolerują tlenu, zostały wyparte z większości miejsc na powierzchni planety, ale przetrwały tam, gdzie tlenu jest mniej lub nie ma go w ogóle.
Niektóre z tych organizmów nie przestają zadziwiać. Deinococcus radiodurans np. to bakteria, która jest odporna na bardzo wysokie dawki promieniowania jonizującego, które zabijają większość innych organizmów. Potrafi też naprawiać swoje uszkodzone DNA i przetrwać w warunkach, które mogłyby być podobne do tych na Marsie. Jej pobratymiec Desulforudis audaxviator, który żyje 2,8 km pod powierzchnią, wręcz odżywia się dawkami promieniowania z rozpadającego się w skałach uranu. Halobacterium salinarum to z kolei archeon, który żyje w ekstremalnie zasolonych środowiskach, takich jak Morze Martwe czy Wielkie Jezioro Słone. Candidatus Desulforudis audaxviator to znów bakteria, która żyje w warstwach skał na głębokości ponad trzech kilometrów. Nie ma dostępu do światła, tlenu ani organicznych związków. Zdobywa energię z rozkładu wody i skał, a także z utleniania siarkowodoru i redukcji siarczanów.
Czy z tymi organizmami rzeczywiście mamy wspólnego przodka? Być może, ale nie można wykluczyć, że ten antenat jest jeszcze starszy, niż wspomniany LUCA. Jeszcze starszy niż planeta Ziemia. Kto wie?
Mirosław Usidus
