Przez 90 lat myliliśmy się co do pochodzenia życia / Arunas L. Radzvilavicius

0
406
[Fot. Życie mogło rozpocząć się w kominach hydrotermalnych, gdzie kwaśna woda morska spotkała się z gorzkim alkalicznym płynem ze skorupy ziemskiej (Zdjęcie: Woods Hole Oceanographic Institution)]

Przez prawie dziewięć dekad ulubionym wyjaśnieniem pochodzenia życia dla nauki była „pierwotna zupa”. Jest to idea, według której życie powstało z serii reakcji chemicznych w ciepłym stawie na powierzchni Ziemi, wywołanych przez zewnętrzne źródło energii, takie jak uderzenie pioruna lub światło ultrafioletowe (UV). Ale ostatnie badania dodają wagi do alternatywnego pomysłu, że życie powstało głęboko w oceanie w ciepłych, skalistych strukturach zwanych kominami hydrotermalnymi.

Badanie opublikowane w zeszłym miesiącu w Nature Microbiology sugeruje ostatniego wspólnego przodka wszystkich żywych komórek karmionych gazowym wodorem w gorącym środowisku bogatym w żelazo, podobnie jak w otworach wentylacyjnych. Zwolennicy konwencjonalnej teorii byli sceptyczni, czy te odkrycia powinny zmienić nasz pogląd na pochodzenie życia. Ale hipoteza komina hydrotermalnego, często opisywana jako egzotyczna i kontrowersyjna, wyjaśnia, w jaki sposób żywe komórki rozwinęły zdolność pozyskiwania energii w sposób, który nie byłby możliwy w pierwotnej zupie.

Zgodnie z konwencjonalną teorią życie miało się rozpocząć, gdy błyskawica lub promienie UV spowodowały, że proste cząsteczki połączyły się w bardziej złożone związki. Doprowadziło to do stworzenia cząsteczek przechowujących informacje, podobnych do naszego własnego DNA, umieszczonych w ochronnych bańkach prymitywnych komórek. Eksperymenty laboratoryjne potwierdzają, że w tych warunkach rzeczywiście mogą powstawać śladowe ilości molekularnych bloków budulcowych, z których składają się białka i cząsteczki przechowujące informacje. Dla wielu pierwotna zupa stała się najbardziej prawdopodobnym środowiskiem powstania pierwszych żywych komórek.

Ale życie nie polega tylko na replikowaniu informacji przechowywanych w DNA. Wszystkie żywe istoty muszą się rozmnażać, aby przetrwać, a replikacja DNA, składanie nowych białek i budowanie komórek od podstaw wymaga ogromnych ilości energii. U podstaw życia leżą mechanizmy pozyskiwania energii ze środowiska, magazynowania i ciągłego kierowania jej na kluczowe reakcje metaboliczne komórek.

Czy życie wyewoluowało wokół głębinowych kominów hydrotermalnych? Amerykańska Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna / Wikimedia Commons

Skąd ta energia pochodzi i jak się tam dostaje, może nam wiele powiedzieć o uniwersalnych zasadach rządzących ewolucją i pochodzeniem życia. Ostatnie badania coraz częściej sugerują, że zupa pierwotna nie była odpowiednim środowiskiem do napędzania energii pierwszych żywych komórek.

To klasyczna wiedza podręcznikowa, że ​​całe życie na Ziemi jest zasilane energią dostarczaną przez słońce i wychwytywaną przez rośliny lub pozyskiwaną z prostych związków, takich jak wodór czy metan. O wiele mniej znany jest fakt, że całe życie wykorzystuje tę energię w ten sam i dość osobliwy sposób.

Proces ten działa trochę jak zapora wodna. Zamiast bezpośrednio zasilać swoje podstawowe reakcje metaboliczne, komórki wykorzystują energię z pożywienia do pompowania protonów (dodatnio naładowanych atomów wodoru) do zbiornika za błoną biologiczną. Tworzy to tak zwany „gradient stężeń” z wyższym stężeniem protonów po jednej stronie membrany niż po drugiej. Następnie protony przepływają z powrotem przez turbiny molekularne osadzone w membranie, podobnie jak woda przepływająca przez zaporę. To generuje wysokoenergetyczne związki, które są następnie wykorzystywane do zasilania pozostałych czynności komórki.

Życie mogło ewoluować, aby wykorzystać dowolne z niezliczonych źródeł energii dostępnych na Ziemi, od ciepła lub wyładowań elektrycznych po naturalnie radioaktywne rudy. Zamiast tego wszystkie formy życia są napędzane przez różnice w stężeniu protonów w błonach komórkowych. Sugeruje to, że najwcześniejsze żywe komórki zbierały energię w podobny sposób i że samo życie powstało w środowisku, w którym gradienty protonów były najbardziej dostępnym źródłem energii.

Hipoteza Vent (Kominów hydrotermalnych)

Niedawne badania oparte na zestawach genów, które prawdopodobnie były obecne w pierwszych żywych komórkach, śledzą pochodzenie życia z głębinowych kominów hydrotermalnych . Są to porowate struktury geologiczne powstałe w wyniku reakcji chemicznych między stałą skałą a wodą. Płyny alkaliczne ze skorupy ziemskiej płyną w górę otworu wentylacyjnego w kierunku bardziej kwaśnej wody oceanicznej, tworząc naturalne różnice w stężeniu protonów, które są niezwykle podobne do tych, które zasilają wszystkie żywe komórki.

Badania sugerują, że na najwcześniejszych etapach ewolucji życia reakcje chemiczne w prymitywnych komórkach były prawdopodobnie napędzane przez te niebiologiczne gradienty protonów. Następnie komórki nauczyły się, jak wytwarzać własne gradienty i uciekły z otworów wentylacyjnych, aby skolonizować resztę oceanu i ostatecznie planetę.

Podczas gdy zwolennicy teorii pierwotnej zupy twierdzą, że wyładowania elektrostatyczne lub promieniowanie ultrafioletowe Słońca napędzały pierwsze reakcje chemiczne życia, współczesne życie nie jest zasilane przez żadne z tych niestabilnych źródeł energii. Zamiast tego u podstaw produkcji energii życiowej leżą gradienty jonów w błonach biologicznych. Nic podobnego nie mogło powstać w ciepłych stawach pierwotnego bulionu na powierzchni Ziemi. W tych środowiskach związki chemiczne i naładowane cząstki mają tendencję do równomiernego rozcieńczania zamiast tworzenia gradientów lub stanów nierównowagi, które są tak ważne dla życia.

Głębinowe kominy hydrotermalne reprezentują jedyne znane środowisko, w którym mogły powstać złożone cząsteczki organiczne z tym samym rodzajem maszynerii wykorzystującej energię, co współczesne komórki. Doszukiwanie się źródeł życia w pierwotnej zupie miało sens, kiedy niewiele było wiadomo o uniwersalnych zasadach energetyki życia. Ale wraz z rozwojem naszej wiedzy nadszedł czas, aby przyjąć alternatywne hipotezy, które uznają znaczenie strumienia energii napędzającego pierwsze reakcje biochemiczne. Teorie te płynnie wypełniają lukę między energetyką żywych komórek i nieożywionych cząsteczek.

                                                                    Arunas L. Radzvilavicius

Biblioteka zdjęć NOAA/Flickr , CC BY-SA

Przez 90 lat myliliśmy się co do pochodzenia życia