Tajemnica życia. Wyłoniło się i wyłania nadal, a my nie mamy pojęcia - jak i dlaczego?
Z tego co wiemy, Ziemia jest jedyną planetą, na której istnieje życie (1). Jeśli życie jest tak wyjątkowe, to dlaczego? Jak powstało życie na Ziemi? Poszukiwanie początków życia na Ziemi to zadawanie innych ważnych pytań, np. o to, jak rzadkie jest to zjawisko (bo co do tej wyjątkowości, też mamy wątpliwości) i jakie jest prawdopodobieństwo jego powstania gdziekolwiek indziej poza Ziemią.
Dążenie do zrozumienia, dlaczego na Ziemi istnieje życie, musi rozpocząć się od wody, ponieważ woda jest jedyną rzeczą na Ziemi, której potrzebuje całe życie. Różne formy życia mogą przetrwać na bardzo różnych źródłach pożywienia, bez tlenu i światła, ale nic nie żyje bez wody. Sama woda też jest pewną zagadką. Naukowcy nie do końca wiedzą, w jaki sposób woda pokryła dwie trzecie powierzchni naszego globu. Czy została dostarczona przez komety uderzające w naszą planetę? A może była od początku istnienia Ziemi w jakiś sposób głęboko ukryta?
A gdy pojawiła się woda, to w jaki sposób pojawiło się życie? Niektórzy dziś przypuszczają, że życie w ogóle nie zaczęło się na Ziemi. Wciąż jednak, jak się zdaje, większość naukowców sądzi, że życie powstało tu, na naszej planecie. Od dziesięcioleci próbują odtworzyć w laboratoriach warunki panujące na wczesnej Ziemi, z nadzieją że w końcu będą w stanie stworzyć coś podobnego do pierwszych prostych komórek, które miały samorzutnie powstać tutaj miliardy lat temu. W latach pięćdziesiątych XX wieku naukowcy Harold Urey i Stanley Miller wykazali, że możliwe jest zsyntetyzowanie aminokwasu glicyny, jednego z najbardziej podstawowych budulców życia, przez traktowanie gazów, które prawdopodobnie wypełniały atmosferę miliardy lat temu, ciepłem i symulowanymi wyładowaniami atmosferycznymi. Od tego czasu naukowcom udało się stworzyć lipidowe struktury, które wyglądały bardzo podobnie do błon komórkowych. Udało im się również stworzyć cząsteczki RNA, które przypominają uproszczone DNA. Ale uzyskanie wszystkich tych składników życia w laboratorium i złożenie ich w prostą komórkę – jak na razie okazuje się niewykonalne.
Jeśli znasz definicję, to umiesz odróżnić życie od jego braku
Czym w ogóle jest życie? „Nikt nie był w stanie zdefiniować życia, a niektórzy powiedzą ci, że nie jest to możliwe”, uważa Carl Zimmer, dziennikarz naukowy i autor książki „Life’s Edge: The Search for What it Means to be Alive”. Oczywiście, istnieją setki definicji życia, ale jego zdaniem nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie początkowe. „Nasze mózgi w sensie biologicznym są dostrojone do rozpoznawania takich rzeczy jak ruch. Jesteśmy niejako zaprogramowani do rozpoznawania życia. Nie oznacza to jednak, że wiemy, czym ono jest”, kwituje autor.
Problem polega na tym, że dla każdej definicji życia naukowcy mogą znaleźć wyjątek. Weźmy na przykład definicję życia NASA: „Życie to samowystarczalny system chemiczny zdolny do darwinowskiej ewolucji”. Definicja ta wykluczałaby jednak wirusy, które nie są „samowystarczalne” i mogą przetrwać i replikować się tylko w innych organizmach.
Definicja życia wydaje się bardzo przydatna, gdy szukamy jego oznak poza Ziemią, na innych planetach i różnego rodzaju ciałach niebieskich. Potrzebne jest narzędzie do niezawodnego rozpoznawania życia i odróżniania go od „nieżycia”. Zimmer powątpiewa, czy przy naszym obecnym stanie wiedzy jest to możliwe.
Zresztą, zaczynając pytania od samych siebie, nie rozumiemy jako ludzie w pełni relacji między fizycznymi procesami mózgu a świadomością, emocjami i subiektywnym doznaniem bycia „żywym”. Pomimo nagromadzonej wiedzy, nadal nie pojmujemy w całości złożonych szlaków biochemicznych i interakcji w żywych komórkach. Nie wyjaśniono w zadowalający sposób, skąd wzięła się ogromna ilość informacji genetycznej zakodowanej w DNA. Jest wiele dalszych pytań bez odpowiedzi.
Proces montażu a może mechanika kwantowa?
Gdyby ktoś pytał, to fizyka również nie potrafi wyjaśnić fenomenu życia. Po prostu nie ma wzoru, który wyjaśniałby różnicę między żywą a martwą formą materii. Z tej perspektywy życie wydaje się po prostu w dość tajemniczy sposób „wyłaniać” z nie-ożywionych części, takich jak cząstki elementarne i większe skupiska masy.
Nie znaczy to, że fizyka nie próbuje. Jednym z jej najnowszych podejść do zagadnienia życia jest tzw. teoria montażu, opisana niedawno w „Nature”. Koncentruje się na złożoności i informacjach (takich jak DNA). U podstaw teorii montażu leży idea, że obiekty mogą być definiowane nie jako niezmienne byty, ale przez historię ich powstawania. Przenosi to uwagę na procesy, dzięki którym złożone konfiguracje są konstruowane z prostszych bloków konstrukcyjnych. Bloki konstrukcyjne można składać podobnie jak klocki Lego, tworząc cząsteczki składowe życia. Teoria proponuje „indeks montażu”, który określa ilościowo minimalne kroki lub najkrótszą ścieżkę wymaganą do zbudowania obiektu. Miara ta śledzi stopień „selekcji” niezbędnej do uzyskania zespołu obiektów – odnosząc się do pamięci, takiej jak DNA, wymaganej do stworzenia żywych istot. W końcu żywe istoty nie powstają spontanicznie. Wymagają DNA jako wzorca do tworzenia nowych wersji.
Zdaniem autorów, eksperymentalna weryfikacja w laboratorium wykazuje, że cząsteczki związane z życiem, takie jak hormony i metabolity (produkty reakcji metabolicznych), są rzeczywiście bardziej złożone i wymagają więcej informacji do złożenia niż cząsteczki, które nie są jednoznacznie związane z życiem, takie jak dwutlenek węgla. Teoria montażu ma też oferować wgląd w pochodzenie życia. Dzieje się tak, ponieważ mówi ona, że istnieje punkt, w którym cząsteczki stają się tak złożone, że zaczynają wykorzystywać informacje do tworzenia swoich kopii, co wymaga pamięci i informacji. To rodzaj progu, w którym życie powstaje z nieżycia. Nie da się uzyskać żywych organizmów ani technologii, którą tworzą bez wysokiego poziomu pamięci i selekcji.
Naukowcy testujący teorię montażu planują dokładniej zbadać pochodzenie życia, tworząc w laboratorium rodzaj chemicznej zupy. W tej zupie z czasem mogłyby powstawać zupełnie nowe cząsteczki, albo poprzez dodawanie różnych reagentów, albo przez przypadek. Dostrajając szybkość reakcji i warunki, uczeni mogliby zbadać punkt przejścia od nieżycia do życia – i dowiedzieć się, czy jest on zgodny z przewidywaniami teorii montażu.
Od lat trzydziestych XX wieku naukowcy podejrzewali, że to zjawiska kwantowe stoją za fotosyntezą, procesem kluczowym dla organizmów żywych. W 2007 r. zespół naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) z Departamentu Energii USA przedstawił pierwsze dowody na to, że tak właśnie jest.
W procesach fotosyntezy rośliny absorbują fotony światła za pomocą komórek zwanych chromoforami. Te z kolej, wzbudzone, uwalniają quasicząstki zwane ekscytonami, które transportują energię do ośrodka reakcji. Tutaj może ona zostać przekształcona w energię chemiczną, którą roślina jest w stanie metabolizować. Cały ten proces zachodzi w jednej miliardowej części sekundy, z blisko stuprocentową sprawnością. Prędkość jest konieczna, aby uniknąć strat energii i rozpraszania się jej w postaci ciepła. Greg Engel i jego koledzy z Berkeley Lab wykazali, że zamiast podróżować tą czy inną drogą, energetyczne wzbudzenie wykorzystuje superpozycję. Naukowcy wykorzystali do swoich eksperymentów siarkową bakterię Chlorobium tepidum. Jest to jeden z pierwszych organizmów, które zaczęły dokonywać fotosyntezy i występuje na Ziemi już od ponad miliarda lat. Obniżyli temperaturę bakterii do 77 kelwinów (–196ºC). Następnie, posłali krótkie impulsy światła laserowego przez ciało bakterii. Śledzili je za pomocą dwuwymiarowej spektroskopii elektronicznej. Chcieli dokładnie poznać, jak przepływała tam energia. Zauważyli, że impuls przemieszcza się nie w linii prostej, lecz w postaci fal. Ze względu na zjawisko kwantowej koherencji ekscyton może, jako fala, „wykryć” wszystkie możliwe drogi, znaleźć najbardziej efektywną z nich i wybrać ją. Wyniki tego badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature”. W kolejnych latach przeprowadzono szereg innych badań wykazujących to samo, mianowicie, fotosyntezę działającą na zasadzie koherencji kwantowej.
Poznamy tajemnicę życia, patrząc na jego lustrzane odbicie?
Cząsteczka składowa kodu genetycznego życia, DNA, spiralna helisa, jest prawoskrętna. Cząsteczki kodowane przez DNA, białka, są lewoskrętne. Nawet skromne cukry, takie jak glukoza, mają skręcony kształt. Dlaczego ta skrętność, zwana chiralnością, występuje w cząsteczkach (skupiskach atomów), z których zbudowane jest całe życie na Ziemi? Czy ta skrętność nie jest przypadkiem tym, czego szukamy, zadając sobie pytanie, co odróżnia życie od materii nieożywionej? Dasze pytania to: jak i kiedy zdecydowano o lewo- lub prawoskrętnym chiralnym skręcie składników życia?
Wiemy, że jest to dla organizmów żywych bardzo ważne. Jeśli podamy bakteriom lewoskrętne aminokwasy, to włączą je do swoich białek. Jeśli podamy im prawoskrętne aminokwasy, prawdopodobnie je zignorują, nawet jeśli są to te same cząsteczki, ale odwrócone w lustrzany sposób. Niektórzy badacze uważają, że po drugiej stronie lustra również mogą istnieć lustrzane formy życia, które być może kiedyś nauczymy się tworzyć. Powstają już lustrzane wersje białek i kwasów nukleinowych DNA. Cząsteczki te mogłyby być np. lekami, tym bardziej skutecznymi, że ich lustrzana struktura powinna umożliwiać im działanie poza zasięgiem wzroku zwykłych mechanizmów obronnych organizmu służących do rozbijania obcych cząsteczek.
Biochemik Ting Zhu z uniwersytetu w Hangzhou w Chinach dąży od lat do zbudowania lustrzanych wersji kluczowych molekularnych składników życia. W ciągu ostatnich kilku lat Zhu i jego koledzy stworzyli szereg lustrzanych wersji kluczowych biomolekuł w żywych komórkach: DNA, RNA oraz enzymów służących do ich replikacji i tłumaczenia ich sekwencji na białka. Nie ma jeszcze pełnego zestawu, ale sądzą, że są bardzo blisko. W teorii może być możliwe złożenie tych składników w syntetyczne jednostki podobne do komórek, które mogą się replikować i metabolizować: rodzaj prymitywnej formy życia, ale odwróconej w stosunku do każdego znanego organizmu, a zatem pierwszej prawdziwie nienaturalnej formy życia. Nikt nie wie, jak takie lustrzane komórki dogadywałyby się ze zwykłymi. Może ignorowałyby się nawzajem lub rywalizowały? Jest też pytanie, czy nasza planeta przypadkiem nie przeprowadziła już raz tego eksperymentu miliardy lat temu, kiedy powstawało życie?
Życie w lustrzanym odbiciu zostało po raz pierwszy wyobrażone przez Louisa Pasteura. W 1848 roku wydedukował on, że produkt uboczny produkcji wina zwany kwasem winowym może krystalizować w dwóch lustrzanych formach krystalicznych, ponieważ ich cząsteczki składowe mają przeciwną chiralność. Pasteur uważał, że chiralność molekularna jest fundamentalną cechą istot żywych, tym właśnie, co odróżnia je od świata nieożywionego. Zastanawiał się, czy chiralność jest indukowana przez siły takie jak magnetyzm, elektryczność lub światło. Przeprowadził serię eksperymentów z krystalizacją związków w polach magnetycznych, uprawą roślin w świetle słonecznym z odwróconą polaryzacją itd. Eksperymenty te wiele nie dały. Ostatnio naukowcy z Uniwersytetu Harvarda wysunęli przypuszczenie, że magnetyzm w minerałach mógł rzeczywiście odegrać rolę w nadaniu najwcześniejszemu życiu jego określonej chiralności, ale to wymaga weryfikacji. Na początku lat dziewięćdziesiątych XX w. Stephen Kent z uniwersytetu w Chicago i jego współpracownicy chemicznie zsyntetyzowali z cząsteczek aminokwasów w lustrzanym odbiciu (z odwrotną chiralnością) enzym proteazę HIV-1, który wirus HIV wykorzystuje do degradacji innych białek. Pomogło to w opracowaniu leków zwalczających AIDS poprzez blokowanie działania enzymu.
Ting Zhu chce teraz stworzyć całą nową formę życia poprzez odwrócenie skrętności cząsteczek składowych, np. całą bakterię w lustrzanym odbiciu, z odwróconymi wszystkimi kwasami nukleinowymi, białkami i cukrami. Jeśli taki organizm zostanie kiedykolwiek stworzony, to zdaniem badaczy, nie powinien wyglądać i działać inaczej niż normalna bakteria. Dopiero po powiększeniu poszczególnych cząsteczek różnica stałaby się widoczna. Na razie jednak wszystko pozostaje w sferze fantazji. Życie w lustrzanym odbiciu może pomóc w zgłębieniu „jednej z największych tajemnic związanych z powstaniem życia na Ziemi” – mówi Zhu – jego „homochiralności” (wszystkie wykrywalne cząsteczki mają taką samą chiralność), a inaczej rzecz ujmując – dlaczego życie wykorzystuje tylko kwasy D-nukleinowe i białka L. Niektórzy uważają, że wybór był całkowicie przypadkowy. Być może wśród prebiotycznych bloków budulcowych istniały różne typy cząsteczek składowych z różną skrętnością, a tylko przypadkowe wahania stężeń jednego typu, wzmocnione przez procesy sprzężenia zwrotnego, doprowadziły do przewagi określonego typu. Zhu wskazuje inną możliwość. „Czy życie na Ziemi jest naprawdę homochiralne, czy po prostu nie mamy odpowiednich narzędzi do poszukiwania drugiej wersji chiralnej?” pyta. Co, jeśli „lustrzana” wersja życia istnieje w niektórych zakątkach środowiska naturalnego, których nie jesteśmy w stanie eksplorować? Może istnieje „ciemna biosfera”, cały ekosystem nieznanych lustrzanych form życia.
Zagadki od góry do dołu i w drugą stronę
Nauka z powodzeniem zastosowała już technikę redukcji, aby określić elementy składowe życia. Redukcja to poszukiwanie wyjaśnień lub skutecznych opisów działania systemu przez skupienie się na jego elementach składowych w mniejszej skali. Jeśli interesuje nas ludzkie ciało, to redukcje prowadzą od narządów do komórek, przez DNA do genów, biomolekuł i tak dalej.
Podejście to odniosło sukces. Jednak nie wystarcza do zrozumienia fenomenu życia. Według innego nurtu badawczego, kluczem jest zrozumienie życia jako złożonego systemu adaptacyjnego, czyli takiego, w którym organizacja i przyczyna występują na wielu poziomach. Znaczenie mają nie tylko cząsteczkowe i atomowe bloki konstrukcyjne, lecz także relacje elementów składowych w górę i w dół skali, systemy połączonych sieci, od genów do ekosystemu i w drugą stronę. To „głębsze rozumienie” wydaje się wciąż czymś relatyw-nie mglistym. Na razie mamy problemy z podstawami i fundamentami. Ich skomplikowane sieci powiązań to kolejny etap zagłębiana się w tajemnicę życia.
Mirosław Usidus
