Το δύσκολο πρόβλημα της προέλευσης της ζωής

Άρθρο, Ιανουάριος 2004

Η προέλευση της ζωής είναι το πιο δύσκολο πρόβλημα της βιολογίας. Οι επιστήμονες είναι καλοί στην κατανόηση διαδικασιών που μπορούν να μελετήσουν. Αλλά η εμφάνιση της ζωής ήταν ένα μοναδικό γεγονός που εμφανίστηκε 3,5 δισεκατομμύρια έως 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Ακόμη και οι βράχοι εκείνης της εποχής έχουν ως επί το πλείστον εξαφανιστεί.

Το 1953 ο Stanley Miller, που εργαζόταν σε εργαστήριο του Πανεπιστημίου του Σικάγου, έστειλε ηλεκτρικό ρεύμα μέσα σε ένα θάλαμο που περιείχε έναν συνδυασμό από ανόργανα συνηθισμένα αέρια: Μεθάνιο, αμμωνία, υδρογόνο και νερό. Το αποτέλεσμα ήταν να φτιαχτούν οργανικές ενώσεις συμπεριλαμβανομένων και αμινοξέων, τις δομικές μονάδες της ζωής και να δημιουργηθεί ένας καινούργιος επιστημονικός τομέας, γνωστός ως εξωβιολογία.

Το πείραμα του Miller ήταν η σπίθα που κέντρισε τους επιστήμονες για να ψάξουν για την προέλευση της ζωής μέσα σε έναν θερμό (αλλά μη καυτό) ρηχό 'ζωμό' θαλασσινό νερό.

Τώρα τελευταία, όμως, θεωρείται από πολλούς ότι η αρχική ατμόσφαιρα δεν περιείχε σε σημαντικά ποσά μεθάνιο, υδρογόνο ή αμμωνία, αλλά κυριαρχούσε το διοξείδιο του άνθρακα, το άζωτο και το νερό. Ένα μίγμα που δεν θα ήταν κατάλληλο για το πείραμα του Miller.

Αυτή είναι η άποψη των Huber και Wachtershauser, που το 1998 δημοσίευσαν την άποψη τους στο περιοδικό Science.

Σήμερα οι απόψεις ενός μέρους της επιστημονικής κοινότητας για την προέλευση της ζωής, βρίσκονται μακριά από το θερμό περιβάλλον του Miller και προσεγγίζει προς ένα περιβάλλον υδροθερμικό - καυτό νερό- με θερμοκρασίες μεταξύ 100 και 250° Κελσίου και σε βάθος αρκετών χιλιομέτρων κάτω από την επιφάνεια. Στο περιβάλλον αυτό θειούχα ορυκτά του σιδήρου, του νικελίου και του κοβαλτίου ενεργούν ως κρίσιμοι καταλύτες για την δημιουργία των προ-βιοτικών οργανικών μορίων.

Αυτή η σύνδεση μεταξύ της ζωής και των θειούχων μετάλλων δεν προκαλεί καμία έκπληξη. Όπως περιγράφεται από τον Beinert και τους συνεργάτες του το 1997 στο περιοδικό Science, οι οι πρωτεΐνες με σίδηρο και θείο βρίσκονται σε όλες τις μορφές της ζωής, και είναι κάτι το κοινό για τα αρχαιότερα συστατικά της ζώσας ύλης.

Τον τελευταίο καιρό κάποια πρόοδος έχει γίνει πάνω στην αναδημιουργία της διαδικασίας που οδήγησε στα πρώτα ζωντανά κύτταρα. Αλλά αποτελείται από υποθέσεις ευλογοφανείς, όχι αποδείξεις.

Κάθε ανθρώπινο κύτταρο είναι ένα περίπλοκο χημικό εργοστάσιο. Οι διαδικασίες κατασκευής προχωρούν μέσα σε έναν τοίχωμα, την κυτταρική μεμβράνη, η οποία έχει ειδικές 'πόρτες' για τις εισερχόμενες και εξερχόμενες χημικές ουσίες.

Το DNA, ο ελεγκτής αυτών των διαδικασιών, είναι σαν τον υπολογιστή που μαζί με το σκληρό του δίσκο είναι κλειδωμένο σε ένα ιερό εσωτερικό τμήμα, τον πυρήνα.

Πώς θα μπορούσε ένα τέτοιο σύνθετο σύστημα να έχει συναρμολογηθεί αυθόρμητα από τις διαθέσιμες χημικές ουσίες στην πρωτόγονη Γη;

Η θεωρία του Gunter Wachtershauser

Ένας Γερμανός χημικός από το Μόναχο, ο Gunter Wachtershauser, είναι ηγέτης στην έρευνα για την υδροθερμική προέλευση της ζωής, και έχει πραγματοποιήσει πολυάριθμα πειράματα που καταδεικνύουν πώς τα σύνθετα οργανικά μόρια μπορούν να σχηματιστούν από τις απλές αρχικές ενώσεις - όπως το μονοξείδιο άνθρακα (CO) - με καταλύτες τα θειούχα μέταλλα.

Φαίνεται ότι οι επιφάνειες των θειούχων μετάλλων μπορούν να καταλύσουν την ένωση απλών μορίων άνθρακα σε νέα και πιο σύνθετα μόρια άνθρακα.

Δηλαδή, ο Wachtershauser δεν πιστεύει ότι πρέπει να ξεκινήσουμε με τα περίπλοκα και περίτεχνα μόρια που αποτελούν τα σημερινά κύτταρα: Το DNA, που έχει καταχωρημένες τις πληροφορίες, το RNA που επιτελεί διάφορες διαδικασίες και τις πρωτεΐνες που χρησιμεύουν ως δομικά υλικά και είναι ελεγκτές του χημικού μεταβολισμού. Να μην σκεφτούμε τις κυτταρικές μεμβράνες - που επιτρέπουν ή εμποδίζουν την είσοδο ουσιών μέσα στο κύτταρο, αυτά όλα πρέπει να έχουν έρθει αργότερα.

Η ζωή πρέπει να έχει αρχίσει με τον απλούστερο πιθανό τρόπο, ως ένας κύκλος, μια φυσικοχημική αντίδραση που επαναλαμβανόταν συνεχώς, εκμεταλλευόμενη κάποια υποπροϊόντα, ενώ μερικά από αυτά παρέμεναν εκεί γύρω για να διατηρήσουν και να εξελίξουν τον κύκλο.

Όμως πότε και πώς άρχισε αυτός ο κύκλος;

Ο Wachtershauser θεωρεί ότι μια πιθανή θέση για να ξεκίνησε ο κύκλος είναι κάποια ορυκτή επιφάνεια ενός ανόργανου υλικού, όπως είναι οι σιδηροπυρίτες ή ο χρυσός που όπως είναι γνωστό είναι ένας καλός καταλύτης. Οι χημικές ουσίες της φύσης, όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, θα μπορούσαν να έχουν συνδυαστεί προς βιολογικές δομικές μονάδες.

Σε κάποιο σημείο, ο μικρός κύκλος απόκτησε μια προστατευτική κάλυψη από χημικές ουσίες, κι έτσι διαχωρίστηκαν οι αντιδράσεις του από το γενικό περιβάλλον. Όταν αυτό το περικάλυμμα 'τύλιξε' τελικά τον κύκλο και αποσυνδέθηκε από την ορυκτή επιφάνεια, γεννήθηκε το πρώτο κύτταρο.

Ο Wachtershauser και άλλοι έχουν δείξει ότι σημαντικά συστατικά της σημερινής βιοχημείας μπορούν να σχηματιστούν στις επιφάνειες του σιδηροπυρίτη, ειδικότερα του πυροσταφυλικού οξέως (pyruvic acid) CH₃-CO-COOH, το γνωστό 'καύσιμο' για τον κύκλο του κιτρικού οξέως.

Σε συνέντευξή του ο Wachtershauser λέει τα εξής:

"Η ζωή άρχισε ως ένας αυτοκαταλυτικός, χημειο-αυτοτροπικός επιφανειακός μεταβολισμός μικρών μορίων οργανικών ενώσεων.

Αυτές σχηματίστηκαν πρώτα με τη σταθεροποίηση του CO και αργότερα από τη σταθεροποίηση του CO₂, σε ένα σετ προϊόντων των ηφαιστειακών εκρήξεων (CO, CO₂, H₂S, NH₃) στις επιφάνειες των κολλοειδών ανόργανων ιζημάτων του θειούχου σιδήρου, νικελίου και άλλων μετάλλων μετάβασης.

Ο επιφανειακός μεταβολισμός καθοδηγήθηκε από την οξειδωτική μετατροπή του CO σε CO₂ και από μια διαδοχική οξειδωτική μετατροπή του κολλοειδούς FeS στο FeS₂.

Με αυτόν τον αρχέγονο μεταβολισμό παρήχθησαν οργανικά συστατικά."

Ο ρόλος του RNA

Ένα άλλο μακρομόριο, που έχει σχέση με την προέλευση της ζωής, είναι το RNA, ο στενός χημικός ξάδελφος του DNA.

Αν και το DNA έχει τραβήξει την προσοχή των επιστημόνων, το RNA είναι εκείνο που έχει σχέση με τις πληροφορίες στο κύτταρο, είτε ανακτώντας τις πληροφορίες από το DNA ή αυτό που μετατρέπει αυτές τις πληροφορίες σε πρωτεΐνες.

Κάποιοι βιολόγοι από καιρό έχουν υποθέσει ότι το RNA ήταν ο κεντρικός δράστης στις πιο πρώιμες μορφές των κυττάρων. Αργότερα δε μεταβίβασε τα περισσότερα από τα καθήκοντα του στη διαχείριση και αποθήκευση της πληροφορίας στο DNA, μια λιγότερο ευπροσάρμοστη αλλά σταθερότερη χημική ουσία. (1972 - Θεωρία του καθηγητή της φυσικοχημείας Hans Kuhn - Ο κόσμος του RNA στους πόρους των βράχων).

Η άποψη αυτή κέρδισε πόντους όταν οι Thomas R. Cech και  Sidney Altman ανακάλυψαν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο ότι το RNA θα μπορούσε να δράσει ως ένζυμο, ως πρωτεϊνικός καταλύτης των χημικών δραστηριοτήτων, συγχρόνως όμως και σαν αποθήκη των γενετικών πληροφοριών.

Ένα από τα πιο ακανθώδη παράδοξα της ζωής είναι ότι το DNA από τη μια απαιτεί έναν πρωτεϊνικό καταλύτη για την αντιγραφή του, και από την άλλη μια πρωτεΐνη χρειάζεται το DNA για να την φτιάξει. Το μπέρδεμα είναι ότι ούτε το DNA ούτε η πρωτεΐνη δεν μπορεί να υπάρξει χωρίς την ταυτόχρονη παρουσία και των δύο.

Οι χημικοί, όμως, που ασχολούνται με την προέλευση της ζωής δεν έχουν επινοήσει κανένα μόριο RNA που να μπορεί να αναπαράγει τον εαυτό του. Αλλά, όμως, έχουν δείξει ότι τα μόρια RNA μπορούν να αντιγράψουν μικρά κομμάτια του RNA και να εκτελέσουν άλλα χρήσιμα καθήκοντα, που πραγματοποιούνται συνήθως από τις πρωτεΐνες. Αυτές οι ιδιότητες του RNA υποστηρίζουν την ιδέα ότι πριν από το DNA υπήρξε ένας κόσμος RNA, στον οποίο το RNA, ή κάποιο άλλο παρόμοιο πολυμερές πρόδρομο σώμα, ξεκίνησε όλη τη διαδικασία, της αρχής της ζωής.

Οι υπομονάδες των μορίων RNA είναι και αυτές αρκετά σύνθετες χημικές ουσίες. Δεν είναι, επίσης, εύκολο να δειχθεί πώς θα μπορούσαν να φτιαχτούν τα πρώτα μόρια RNA. Αλλά ένας πηλός (άργιλος), που λέγεται montmorillonite, που σχηματίστηκε από διαβρωμένη ηφαιστειακή τέφρα (που είναι γνωστός από τα απορρίμματα της γάτας), έχει μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα: στο να καταλύει το σχηματισμό του RNA από τις υπομονάδες του.

Ιδιότητες αργίλου

Σε ένα άρθρο στο περιοδικό Science, το φθινόπωρο του 2003, ερευνητές από το Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης ανέφεραν ότι ένα είδος αργίλου, ο montmorillonite, είχε μια άλλη ιδιότητα πιθανής σχετικότητας με την προέλευση της ζωής. Κάνει τα σταγονίδια των μορίων του λίπους να επαναρυθμιστούν σε μικρές φυσαλίδες, παρόμοιες με τις μεμβράνες που φτιάχνουν τα τοιχώματα των ζωντανών κύτταρων.

Συχνά τα μόρια του αργίλου ενσωματώνονται στις φυσαλίδες, βρήκε η ομάδα του MIT, μαζί με οποιαδήποτε προσκολλημένα μόρια RNA. Όπως είπαν "τα ορυκτά μόρια μπορεί να έχουν διευκολύνει πολύ την εμφάνιση των πρώτων κυττάρων".

Σε ένα δεύτερο πείραμα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι θα μπορούσαν να κάνουν τα πρωτο-κύτταρα τους να διαιρεθούν αναγκάζοντας τα να περάσουν μέσα από τις λεπτές οπές σε ένα φίλτρο.

Οι ερευνητές έχουν να διασχίσουν ένα μακρύ δρόμο πριν από την ανακάλυψη οποιασδήποτε εύλογης απάντησης για την προέλευση της ζωής.

Ο Jack Szostak, ένας από τους ερευνητές, λέει ότι συμπεραίνουν ότι ανεξάρτητα από το πόσο είναι αποσπασματικά τα κύτταρα τους, η ζωή είναι γεγονός. 

Ερευνητές από το Ινστιτούτο Carnegie

Ερευνητές όπως ο Cody, από το Ινστιτούτο Carnegie στην Ουάσιγκτον, έχουν πρόσφατα (2000) προχωρήσει τις ιδέες του Wachtershauser ένα βήμα πιο πέρα, φτιάχνοντας την κρίσιμη ένωση πυροσταφυλικό οξύ (pyruvic acid) CH₃-CO-COOH, από το CO με την παρουσία σαν καταλύτη του θειούχου σιδήρου στους 250° C και πιέσεις ισοδύναμες με ένα βάθος 7 km μέσα στους βράχους.

Προτείνουν ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να είχε πραγματοποιηθεί βαθιά μέσα στον ωκεάνιο φλοιό, και ότι οι ενώσεις που σχηματίστηκαν θα μπορούσαν να έχουν μετακινηθεί από τα υπόγεια νερά στον ανώτερο φλοιό. Όπου εκεί οι κρίσιμες  διαδικασίες για τον σχηματισμό της ζωής μπορεί να έχουν πραγματοποιηθεί και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (100 σε 150° C) και σε χαμηλότερες πιέσεις.

Τα σημαντικά συστατικά αυτής της διαδικασίας είναι το μονοξείδιο του άνθρακα CO και οι θειούχες ενώσεις του Fe ή του Νι σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Όλα αυτά θα μπορούσαν να έχουν υπάρξει κοντά σε ηφαιστειογενείς περιοχές σε έναν πρώιμο ωκεάνιο φλοιό.