Από την ιστορία της έρευνας για την δημιουργία της ζωής
Μέρος 2ο

Άρθρο, Ιούλιος 2003

Από την ιστορία της έρευνας για την δημιουργία της ζωής

Πριν από τα μέσα του 17ου αιώνα, οι περισσότεροι άνθρωποι νόμιζαν ότι ο Θεός είχε δημιουργήσει μόνο τον άνθρωπο και τα μεγαλύτερα ζώα και ότι τα έντομα, οι βάτραχοι και άλλα μικρά πλάσματα θα μπορούσαν να προκύψουν αυθόρμητα στη λάσπη ή σε ένα υλικό αποσύνθεσης. Στους επόμενους δύο αιώνες, αυτές οι ιδέες εξετάστηκαν κριτικά και στα μέσα του 19ου αιώνα δύο σημαντικές επιστημονικές πρόοδοι έβαλαν σε συζήτηση το ζήτημα της προέλευσης της ζωής.

Από τη μία μεριά ήταν ο Louis Pasteur που απέρριψε την έννοια της αυθόρμητης παραγωγής. Πρόσφερε δε αποδείξεις ότι ακόμη και τα βακτηρίδια και οι άλλοι μικροοργανισμοί προκύπτουν από όμοιους πρόγονους. Με αυτόν τον τρόπο ξεκίνησε μια άλλη ενδιαφέρουσα και προκλητική συνάμα ερώτηση: Πώς όμως εμφανίστηκε η πρώτη γενιά του κάθε είδους πάνω στη Γη;

Η δεύτερη πρόοδος, η θεωρία της φυσικής επιλογής, πρότεινε σε αυτό το ζήτημα μια απάντηση. Σύμφωνα με αυτήν την πρόταση, που έγινε γνωστή από δύο ερευνητές, τους Charles Darwin και Alfred Russel Wallace, μερικές από τις διαφορές μεταξύ των ατόμων σε έναν πληθυσμό είναι κληρονομήσιμες. Όταν το περιβάλλον αλλάζει, τότε τα άτομα που φέρουν γνωρίσματα που παρέχουν καλύτερη προσαρμογή στο νέο περιβάλλον, συναντιούνται με πολύ μεγάλη αναπαραγωγική επιτυχία. Συνεπώς, η επόμενη γενεά περιέχει πολύ περισσότερα προσαρμοσμένα άτομα στο νέο περιβάλλον. Με άλλα λόγια, οι περιβαλλοντικές πιέσεις επιλέγουν τα προσαρμοστικά γνωρίσματα για τη διαιώνιση.

Η φυσική επιλογή, γενιά προς γενιά, θα μπορούσε έτσι να οδηγήσει στην εξέλιξη των απλών οργανισμών προς σύνθετους. Η θεωρία επομένως θεωρεί ότι όλες οι σημερινές μορφές της ζωής θα μπορούσαν να έχουν εξελιχθεί από έναν μοναδικό, απλό πρόγονο - έναν οργανισμό που τώρα αναφέρεται σαν ο "τελευταίος κοινός πρόγονος της ζωής". (Αυτή η μορφή της ζωής λέγεται ότι είναι η "τελευταία" κι όχι η "πρώτη" επειδή είναι ο κοντινότερος κοινός πρόγονος όλων των σύγχρονων οργανισμών. Οι πιο απόμακροι πρόγονοι πρέπει να έχουν εμφανιστεί πιο ενωρίς).

Ο Δαρβίνος, που ήταν ο πρώτος που έθεσε τις θρησκευτικές προκαταλήψεις της εποχής του στο περιθώριο, θεώρησε στην τελική παράγραφο του έργου του "Η προέλευση των ειδών", ότι ο "Δημιουργός" αρχικά φύσηξε τη ζωή "σε μερικές μορφές ή σε μία μόνο". Τότε ξεκίνησε η εξέλιξη: "Από μια τόσο απλή αρχή σχηματίστηκαν ατελείωτες μορφές ομορφότερες και πιο θαυμάσιες, με την εξέλιξη".

Στην ιδιωτική του αλληλογραφία, εντούτοις, πρότεινε ότι η ζωή θα μπορούσε να έχει προκύψει μέσω της χημείας, "σε κάποια θερμή μικρή λίμνη, με παρόντα όλα τα είδη της αμμωνίας και των φωσφορικών αλάτων, το φως, τη θερμότητα, την ηλεκτρική ενέργεια κλπ".

Σε ένα μεγάλο μέρος του 20ού αιώνα, η έρευνα της προέλευσης της ζωής στόχευε στη βελτίωση της υπόθεσης του Δαρβίνου - να διευκρινίσει πώς, χωρίς υπερφυσική επέμβαση, η αυθόρμητη αλληλεπίδραση των σχετικά απλών μορίων που διαλύθηκαν στις λίμνες ή τους ωκεανούς του προβιοτικού κόσμου θα μπορούσε να έχει παραγάγει τον τελευταίο κοινό πρόγονο της ζωής.

Η ανακάλυψη μιας λύσης σε αυτό το πρόβλημα απαιτεί να γνωρίζουμε κάτι για τα χαρακτηριστικά εκείνου του προγόνου. Προφανώς, έπρεπε να κατέχει γενετικές πληροφορίες - δηλαδή κληρονομήσιμες οδηγίες για τη λειτουργία και την αναπαραγωγή - και τα μέσα για να ξεδιπλωθούν και να πραγματοποιηθούν αυτές οι οδηγίες. Διαφορετικά δεν θα είχε αφήσει κανέναν απόγονο. Επίσης, το σύστημά του για την αναπαραγωγή του γενετικού υλικού του, έπρεπε να επιτρέπει κάποια τυχαία μεταβολή στα κληρονομήσιμα χαρακτηριστικά του απογόνου έτσι ώστε τα νέα γνωρίσματα να μπορούν να επιλεχτούν και να οδηγήσουν στη δημιουργία των διαφορετικών ειδών.

Οι επιστήμονες έχουν επιτύχει ακριβέστερη διορατικότητα στο χαρακτήρα του τελευταίου κοινού προγόνου με τον προσδιορισμό των κοινών ιδιοτήτων στους σύγχρονους οργανισμούς. Κάποιος μπορεί σωστά να συμπεράνει ότι τα περίπλοκα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που βρίσκονται σε όλες τις σύγχρονες ποικιλίες της ζωής, εμφανίστηκαν επίσης και σε εκείνο τον κοινό πρόγονο. Γιατί η λογική λέει ότι είναι αδύνατο τέτοια καθολικά γνωρίσματα να έχουν εξελιχθεί χωριστά.

Μια εύκολα προφανής κοινή ιδιότητα είναι ότι όλα τα ζωντανά όντα αποτελούνται από παρόμοιες οργανικές ενώσεις (πλούσιες σε άνθρακα). Μια άλλη κοινή ιδιότητα είναι ότι οι πρωτεΐνες που υπάρχουν στους σημερινούς οργανισμούς διαμορφώνονται από ένα σύνολο 20 στάνταρ αμινοξέων. Αυτές οι πρωτεΐνες περιλαμβάνουν τα ένζυμα (οι βιολογικοί καταλύτες), που είναι ουσιαστικά υπεύθυνα για την ανάπτυξη, την επιβίωση και την αναπαραγωγή.

Ακόμη, οι σύγχρονοι οργανισμοί μεταφέρουν τις γενετικές πληροφορίες τους στα νουκλεϊνικά οξέα - RNA και DNA - και χρησιμοποιούν ουσιαστικά τον ίδιο γενετικό κώδικα. Αυτός ο κώδικας καθορίζει τις ακολουθίες των αμινοξέων σε όλες τις πρωτεΐνες, που χρειάζεται ο κάθε οργανισμός. Ακριβέστερα, οι οδηγίες λαμβάνουν τη μορφή συγκεκριμένων ακολουθιών νουκλεοτιδίων, των δομικών μονάδων των νουκλεϊνικών οξέων. Αυτά τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από ένα σάκχαρο (τη δεοξυριβόζη στο DNA, και την απλή ριβόζη στο RNA), μια ομάδα φωσφορικού άλατος και μία από τέσσερις διαφορετικές αζωτούχες βάσεις. Στο DNA, οι βάσεις είναι η αδενίνη (A), η γουανίνη (G), η κυτοσίνη (C) και η θυμίνη (T). Στο RNA, η ουρακίλη (U) βρίσκεται στη θέση της θυμίνης. Οι βάσεις αποτελούν το αλφάβητο, και οι τριπλέτες (τριάδες) των βάσεων σχηματίζουν τις λέξεις. Για παράδειγμα, η τριπλέτα CUU στο RNA καθοδηγεί ένα κύτταρο να προσθέσει το αμινοξύ λευκίνη σε μια πρωτεΐνη.

Από τέτοια συμπεράσματα μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο τελευταίος κοινός πρόγονός μας αποθήκευε τις γενετικές πληροφορίες του στα νουκλεϊκά οξέα που καθόριζαν τη σύσταση όλων των αναγκαίων πρωτεϊνών. Στηρίχθηκε επίσης στις πρωτεΐνες για να κατευθύνει πολλές από τις αντιδράσεις που απαιτήθηκαν για την αυτο-διαιώνιση. Ως εκ τούτου, το κεντρικό πρόβλημα της έρευνας για την προέλευση της ζωής μπορεί να καθοριστεί στην εξής ερώτηση: Από ποια σειρά χημικών αντιδράσεων  δημιουργήθηκε αυτό το αλληλοεξαρτώμενο σύστημα των νουκλεϊκών οξέων και των πρωτεϊνών;

Ο καθένας όμως που προσπαθεί να λύσει αυτόν τον γρίφο αντιμετωπίζει αμέσως ένα παράδοξο. Σήμερα τα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να συντεθούν μόνο με τη βοήθεια των πρωτεϊνών, και οι πρωτεΐνες φτιάχνονται μόνο εάν υπάρχει η αντίστοιχη ακολουθία των νουκλεοτιδίων τους. Είναι εξαιρετικά απίθανο ότι οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα, που και τα δύο είναι δομικά σύνθετα, προέκυψαν αυθόρμητα στην ίδια θέση συγχρόνως. Ακόμα φαίνεται επίσης αδύνατο να υπάρξει το ένα χωρίς το άλλο. Και έτσι, με την πρώτη ματιά, πρέπει να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι η ζωή δεν θα μπορούσε ποτέ, στην πραγματικότητα, να έχει δημιουργηθεί με χημικά μέσα.

Προς το τέλος της δεκαετίας του '60 ο Carl R. Woese του Πανεπιστημίου του Ιλλινόις, ο Francis Crick, (νομπελίστας για την ανακάλυψη της έλικας του DNA) και η Leslie Orgel (που δούλευε στο Σαν Ντιέγκο) ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο πρότειναν μια διέξοδο αυτής της δυσκολίας. Πρότειναν ότι το RNA μπορεί να είχε έρθει πρώτα και να έχει φτιαχτεί αυτό που λέγεται σήμερα Κόσμος του RNA - ένας κόσμος στον οποίο το RNA έγινε καταλύτης σε όλες τις απαραίτητες αντιδράσεις για  να επιζήσει ένας πρόδρομος του τελευταίου κοινού προγόνου της ζωής και να επαναδιπλωθεί. Επίσης οι τρεις επιστήμονες έθεσαν σαν προϋπόθεση ότι το RNA θα μπορούσε στη συνέχεια να έχει αναπτύξει την ικανότητα να συνδέσει τα αμινοξέα στις πρωτεΐνες. Αυτό το σενάριο θα μπορούσε να έχει εμφανιστεί, μόνο εάν το προβιοτικό RNA είχε δύο ιδιότητες που σήμερα δεν είναι εμφανείς: Μια ικανότητα να επαναδιπλωθεί χωρίς τη βοήθεια των πρωτεϊνών και μιας δεύτερης δυνατότητας να καταλύσει κάθε βήμα της πρωτεϊνικής σύνθεσης.

Υπήρχαν φυσικά κάποιοι λόγοι για τους οποίους θεωρούσαν το RNA πάνω από το DNA ως δημιουργό του γενετικού συστήματος, ακόμα κι αν το DNA είναι τώρα η κύρια γενετική αποθήκη των κληρονομικών πληροφοριών. Μια εκτίμηση ήταν ότι τα ριβονουκλεοτίδια στο RNA μπορούν να συντεθούν ευκολότερα από ότι τα δεοξυριβονουκλεοτίδια στο DNA. Επιπλέον, ήταν πιο εύκολο να προβλεφθούν οι τρόποι που το DNA θα μπορούσε να εξελιχθεί από το RNA και έπειτα, όντας αυτό το DNA σταθερότερο, να αναλάβει το ρόλο του RNA ως φύλακας της κληρονομικότητας. Μάλιστα ένας άλλος λόγος που το RNA πρέπει να εμφανίστηκε πριν από τις πρωτεΐνες ήταν, γιατί δεν φαίνεται ότι οι πρωτεΐνες θα μπορούσαν να αντιγραφούν πιστά με την έλλειψη των νουκλεϊκών οξέων.

Τα τελευταία περίπου 20 χρόνια βρέθηκαν κι άλλες αποδείξεις ότι ο υποθετικός κόσμος RNA υπήρξε και οδήγησε στην εμφάνιση της ζωής την βασισμένη στο DNA, στο σημερινό RNA και τις πρωτεΐνες. Ειδικότερα, το 1983 ο Thomas R. Cech του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Boulder και, ανεξάρτητα από αυτόν, ο Sidney Altman του Πανεπιστημίου Yale ανακάλυψαν τα πρώτα γνωστά ribozymes, ένζυμο φτιαγμένο από RNA. Μέχρι τότε, οι πρωτεΐνες θεωρούνταν ότι μπορούν να πραγματοποιήσουν όλες τις καταλυτικές αντιδράσεις στους σημερινούς οργανισμούς. Πράγματι, ο όρος "ένζυμο" συνήθως αναφέρεται για τις πρωτεΐνες. Εντούτοις, το γεγονός ότι αυτά συμπεριφέρθηκαν όπως τα ένζυμα προσθέτει βάρος στην ιδέα  ότι το αρχαίο RNA επίσης πρέπει να ήταν καταλυτικό

Αναφορά: Leslie Orgel, η οποία είναι καθηγήτρια-ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Βιολογικών σπουδών στο San Diego. Είναι επίσης ειδική στην Κοσμική Χημεία και συνεργάτης της NASA για θέματα που άπτονται της Αστροβιολογίας και της προέλευσης της Ζωής.