Vita dúl a biológusok és a kémikusok között arról, hogy az élet a szárazföldön vagy a tenger alatt kezdődött. Rachel Brazil megvizsgálja az érveket

A “Hogyan kezdődött az élet?” kérdés szorosan kapcsolódik a “Hol kezdődött az élet?” kérdéshez. A legtöbb szakértő egyetért abban, hogy “mikor”: 3,8-4 milliárd évvel ezelőtt. Abban azonban még mindig nincs egyetértés, hogy milyen környezet segíthette elő ezt az eseményt. Felfedezésük óta a mélytengeri hidrotermális nyílásokat, különösen az olyan lúgos kémhatású nyílásokat, mint amilyeneket az Atlanti-óceán közepén található “Elveszett város” mezőn találtak, az élet születési helyeként tartják számon. De nem mindenki van meggyőződve arról, hogy az élet a tengerben kezdődött – sokak szerint a kémia egyszerűen nem működik, és szárazföldi szülőhelyet keresnek. Mivel számos hipotézis van játékban, megkezdődött a verseny, hogy megismételjék azokat a körülményeket, amelyek lehetővé tették az élet kialakulását.

1977-ben fedezték fel az első mélytengeri hidrotermális nyílást a Csendes-óceán keleti kiemelkedésének középső óceáni gerincén. A “fekete füstölőknek” nevezett nyílások geotermikusan felmelegedett, akár 400 °C-os vizet bocsátanak ki, magas szulfidtartalommal, amely a hideg óceánnal érintkezve kicsapódik, és fekete füstöt képez. Ezt követte 2000-ben egy új típusú lúgos mélytengeri hidrotermális nyílás felfedezése, amelyet az óceánközépi gerincektől kissé távolabb találtak. Az első, Lost City néven ismert mezőt a tengerfenéken, az Atlanti-óceán középső részén található Atlantis Massif hegységben fedezték fel.

A nyílások a szerpentinizációnak nevezett folyamat során jönnek létre. A tengerfenéki kőzet, különösen az olivin (magnéziumvas-szilikát) reakcióba lép vízzel, és nagy mennyiségű hidrogént termel. Az Elveszett Városban, amikor a meleg lúgos folyadékok (45-90°C és pH 9-11) keverednek a tengervízzel, 30-60 méter magas fehér kalcium-karbonát kéményeket hoznak létre.

1993-ban, mielőtt a lúgos kémlelőnyílásokat ténylegesen felfedezték volna, Michael Russell geokémikus, a Nasa kaliforniai Jet Propulsion Laboratory (JPL) munkatársa felvetett egy olyan mechanizmust, amellyel az élet ilyen kémlelőnyílásokból indulhatott ki.1 A 2003-ban frissített2 elképzelései szerint az élet a lúgos és a savasabb tengervíz keveredésekor keletkező energiagradiensek kihasználásával jött létre (a korai óceánok a feltételezések szerint több szén-dioxidot tartalmaztak, mint manapság).

Ez tükrözi a sejtek energiafelhasználásának módját. A sejtek úgy tartanak fenn protongradienst, hogy protonokat pumpálnak át a membránon, hogy töltéskülönbséget hozzanak létre belülről kifelé. Ezt proton-motoros erőnek nevezik, és ez körülbelül 3 pH-egységnyi különbségnek feleltethető meg. Ez gyakorlatilag egy mechanizmus a potenciális energia tárolására, és ez azután hasznosítható, amikor a protonokat átengedik a membránon, hogy foszforilálják az adenozin-difoszfátot (ADP), ATP-t előállítva.

Russell elmélete szerint a hidrotermális szellőzők kéményeinek pórusai szolgáltak mintául a sejtek számára, ugyanez a 3 pH-egységnyi különbség a szellőző és a tengervizet elválasztó, egymáshoz kapcsolódó szellőző mikropórusok vékony ásványi falai között. Ez az energia, valamint a katalitikus vas-nikkel-szulfid ásványok lehetővé tették a szén-dioxid redukcióját és szerves molekulák, majd önreprodukáló molekulák, végül pedig valódi, saját membránnal rendelkező sejtek előállítását.

Kémiai kertek

A kémikus Laura Barge, aki szintén a JPL kutatója, ezt az elméletet kémiai kertek segítségével teszteli – ezt a kísérletet talán te is elvégezted az iskolában. A kémiai kerteket nézve “az ember azt hiszi, hogy az élet, de ez biztosan nem az” – mondja Barge, aki az önszerveződő kémiai rendszerekre specializálódott. A klasszikus kémiai kert úgy jön létre, hogy fémsókat adunk egy reaktív nátrium-szilikát oldathoz. A fém és a szilikát anionok kicsapódnak, és egy zselatinos kolloid félig áteresztő membránt alkotnak, amely körülveszi a fémsót. Ez egy koncentrációgradienst hoz létre, amely lendületet ad az üreges növényszerű oszlopok növekedéséhez.

“Elkezdtük szimulálni azt, amit egy szellőzőfolyadékkal és az óceánnal kaphatunk, és apró kéményeket tudunk növeszteni – ezek lényegében olyanok, mint a kémiai kertek” – magyarázza Barge. A korai óceán utánzása érdekében lúgos oldatokat fecskendezett vasban gazdag savas oldatokba, így vas-hidroxid és vas-szulfid kémények keletkeztek. Ezekből a kísérletekből a csapata szemléltette, hogy képesek áramot termelni: négy kertből alig egy voltot, de ez elég egy LED működtetéséhez,3 ami azt mutatja, hogy az a fajta protongradiens, amely a mélytengeri nyílásokban energiát biztosít, megismételhető.

Nick Lane, a University College London biokémikusa az Egyesült Királyságban szintén a prebiotikus geoelektrokémiai rendszereket próbálja rekonstruálni az élet eredete reaktorával. Ő Russell elméletét részesíti előnyben, bár nem elégedett a gyakran rá aggatott “metabolizmus először” címkével, szemben az “információ először” elmélettel, amely azt feltételezi, hogy a replikálódó RNS-molekulák szintézise volt az élethez vezető első lépés. “Úgy állítják be őket, mintha ellentétesek lennének, de szerintem ez ostobaság” – mondja Lane. ‘Ahogy én látom, mi azt próbáljuk kitalálni, hogyan jutunk el egy olyan világba, ahol van szelekció és létre tudunk hozni valami olyasmit, mint a nukleotidok.’

Lane-t meggyőzte, hogy a geokémia és a biokémia milyen szorosan illeszkedik egymáshoz. Például olyan ásványokat, mint a greigit (Fe3S4) találunk a források belsejében, és ezek bizonyos rokonságot mutatnak a mikrobiális enzimekben található vas-kén klaszterekkel. Ezek primitív enzimként működhettek a szén-dioxid hidrogénnel való redukciójában és a szerves molekulák képződésében. “Vannak különbségek is, a gátak vastagabbak és így tovább, de az analógia nagyon pontos, és így a kérdés így hangzik: “Lehetséges-e, hogy ezek a természetes protongradiensek lebontják a hidrogén és szén-dioxid közötti reakció gátját?””

Lane egyszerű, padon álló, nyílt áramlású Origins of Life-reaktor4 szimulálja a hidrotermális szellőzők körülményeit. Egy félvezető vas-nikkel-kén-kén katalitikus gát egyik oldalán egy lúgos folyadékot pumpálnak át, amely a szellőzőfolyadékokat szimulálja, a másik oldalon pedig egy savas oldatot, amely a tengervizet szimulálja. Az áramlási sebesség mellett a hőmérséklet is változtatható mindkét oldalon. A membránon keresztül “Az első lépés az, hogy a szén-dioxidot megpróbáljuk reakcióba hozni a hidrogénnel, hogy szerves anyagokat hozzon létre, és úgy tűnik, hogy sikerrel járunk a formaldehid ilyen módon történő előállításában” – mondja Lane.

A hozam eddig nagyon alacsony volt, de Lane úgy véli, hogy “elvi bizonyítékuk van”. Dolgoznak az eredményeik megismétlésén és annak bizonyításán, hogy a látott formaldehid nem más forrásból, például a csövek lebomlásából származik. Lane azt mondja, hogy ugyanilyen körülmények között képesek voltak formaldehidből kis mennyiségű cukrot szintetizálni, köztük 0,06% ribózt, bár nem olyan formaldehidkoncentrációban, mint amilyet a reaktor önmagában termelt.

Mélyebbre ásva

A hidrotermális nyílásokat vizsgálva Frieder Klein geokémikus az amerikai Woods Hole Oceanográfiai Intézetből felfedezte a mélytengeri eredet történetének egy változatát. Életre utaló bizonyítékokat talált a tengerfenék alatti kőzetekben, amelyek megfelelő környezetet biztosíthattak az élet elindulásához.

Klein és kollégái 1993-ban a Spanyolország és Portugália partjainál lévő ibériai kontinentális peremvidékről fúrt magokból származó mintákat vizsgáltak. A minták 760 méterrel a jelenlegi tengerfenék alatt lévő kőzetből származnak, ami 65 méterrel a korai, üledékmentes óceánfenék alatt lehetett. A mintákban néhány szokatlan kinézetű erezetet látott, amelyek a Lost City hidrotermális rendszerben is megtalálható ásványokból állnak. “Ez azért volt érdekes számomra, mert ez az ásványegyüttes csak akkor alakul ki, ha hidrotermikus folyadékokat keverünk tengervízzel” – mondja Klein. Ez arra utal, hogy hasonló kémia folyhat a tengerfenék alatt is.

Ezekben a 120 millió évvel ezelőttre datált erecskékben Klein csapata megkövesedett mikrobákat talált. Szerinte a brucit (Mg(OH)2) ásvány kiszárító tulajdonságai magyarázhatják a mikrobák szerves molekuláinak megőrzését. Ezek között voltak aminosavak, fehérjék és lipidek, amelyeket konfokális Raman-spektroszkópiával azonosítottak. Klein elmondása szerint kezdetben szkeptikus volt, de a kivont minták elemzése megerősítette a szulfátredukáló baktériumok és archaea egyedi lipid biomarkereit, amelyek szintén megtalálhatók a Lost City hidrotermális nyílások rendszerében.5 A SEM képalkotás szénzárványokat mutatott ki, amelyek szerinte “mikroorganizmusok mikrokolóniáinak tűntek.”

Bár nyilvánvalóan ezek a minták sokkal fiatalabbak, “ezeknek a mikrobáknak a jelenléte azt mondja nekünk, hogy az élet lehetséges a tengerfenéki környezetben, hidrotermális rendszerekben, amelyek valószínűleg jelen voltak és aktívak voltak a korai Föld nagy részében” – jegyzi meg Klein. ‘A tengerfenék egy másik, védettebb környezetet jelent.’

Landlocked

De nem mindenki ért egyet azzal, hogy az élet a mélytengeri hidrotermális rendszerekben kezdődött. Armen Mulkidjanian, a németországi Osnabrucki Egyetem munkatársa szerint több nagy probléma is van ezzel az elképzeléssel, az egyik a tengervízben található nátrium- és káliumionok relatív koncentrációja a sejtekhez képest.

Mulkidjanian arra hivatkozik, amit ő a kémia megőrzésének elvének nevez – ha az organizmusok egyszer megtelepedtek valamilyen környezetben, megtartják és kifejlesztenek olyan mechanizmusokat, amelyek megvédik alapvető biokémiai felépítésüket. Szerinte ezért nincs értelme annak, hogy a sejtek, amelyek 10-szer több káliumot tartalmaznak, mint nátriumot, a tengervízből származnak, amelyben 40-szer több a nátrium, mint a kálium. Feltételezése szerint a protocelláknak olyan környezetben kellett kifejlődniük, ahol több kálium volt, mint nátrium, és csak akkor fejlesztettek ki ionszivattyúkat a nem kívánt nátrium eltávolítására, amikor a környezetük megváltozott.

Mulkidjanian úgy véli, hogy az élet olyan geotermikus rendszerekből eredhetett, mint például a szibériai Kamcsatka geotermikus mezői az orosz Távol-Keleten. “Elkezdtük keresni, hogy hol találunk olyan körülményeket, ahol több kálium van, mint nátrium, és csak geotermikus rendszereket találtunk, különösen ott, ahol a földből gőz jön ki” – magyarázza. Csak a páraforrásokból keletkezett medencékben van több kálium, mint nátrium; a geotermikus folyadékforrásokból keletkezett medencékben még mindig több a nátrium, mint a kálium. Ma egy maroknyi ilyen rendszer létezik Olaszországban, az Egyesült Államokban és Japánban, de Mulkidjanian szerint a forróbb korai Földön sokkal többre lehetett számítani.”

David Deamer az amerikai Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetemről több mint 50 éve tanulmányozza a makromolekulákat és a lipidmembránokat. Ő egy kissé más szemszögből közelít a területhez, amit egyesek “membrán-elsőnek” neveztek. De azt mondja: “Egészen biztos vagyok benne, hogy az élet eredetét úgy érthetjük meg a legjobban, ha felismerjük, hogy az élet egy molekulákból álló rendszer, amelyek mind együtt működnek, ahogyan a mai életben is”. A hely “a plauzibilitás megítélésén múlik a részemről” – elmélkedik.”

A mélytengeri eredet ellen az egyik legnagyobb érv az, hogy a biológiában oly sok makromolekula található. A DNS, az RNS, a fehérjék és a lipidek mind polimerek, és kondenzációs reakciók révén jönnek létre. “Ingadozó környezetre van szükség, amely néha nedves, néha száraz – egy nedves időszak, hogy az összetevők keveredjenek és kölcsönhatásba lépjenek, majd egy száraz időszak, hogy a víz eltávolodjon, és ezek az összetevők polimert alkossanak” – mondja Mulkidjanian. “A hidrotermális szellőzőkben ez nem lehetséges, mert ott nem lehetnek nedves-száraz ciklusok” – teszi hozzá Deamer. A kontinentális hidrotermális mezőkön minden nap előfordulnak nedves-száraz ciklusok. Ez lehetővé teszi a reaktánsok koncentrációját, valamint a polimerizációt.”

A feltételezés, hogy a természetes szelekció 4 milliárd év alatt képtelen egy fejlesztéssel előállni, szerintem őrültség

Deamer a laboratóriumban megpróbálta létrehozni saját protocelláit – lipidek és RNS-összetevők, adenozin-monofoszfát és uridin-monofoszfát keverésével. Szárításkor a lipidek membránszerű struktúrákká állnak össze maguktól, és ha a nukleotidok a lipidrétegek közé szorulnak, akkor azok észteresedésen mennek keresztül, és RNS-szerű polimereket hoznak létre. Többszörös nedves-száraz ciklusok során a hozam 50%-ra nő.6

Deamer közvetlen RNS-szekvenálási technikákkal igazolta e polimerek jelenlétét a “protocellák” belsejében. ‘Valóban vannak egyszálú molekuláink, amelyek a biológiai RNS mérettartományába esnek’, de Deamer figyelmeztet, hogy ez nem olyan RNS, mint amilyen egy biológiai szervezetben van. Olyan RNS-keveréket hozott létre, amelynek egy része foszfátcsoportokkal kötődött, ahogyan a természetben is, más része viszont “természetellenesen” kötődött, amiből arra következtet, hogy “ezekben a kis protocellákban szelekciónak és evolúciónak kellett végbemennie”.

A mélytengeri hidrotermális források tábora azonban még nem hajlandó bedobni a törülközőt. Barge szerint a szellőzők környezete lehetővé teheti a reaktánsok koncentrációját és a kondenzációs reakciókat. “A tengerfenéken mindenütt gélek vannak, vannak ásványi anyagok, amelyek elnyelik a dolgokat, és magában a membránban is vannak gélek, így dehidratáló reakciókörülmények alakulhatnak ki, annak ellenére, hogy az egész rendszer vizes.”

Lane azt az elképzelést is cáfolja, hogy a kálium- vagy nátriumionszintek rögzíthetik a jövőbeli anyagcsere-folyamatokat. “Az a feltételezés, hogy a természetes szelekció 4 milliárd év alatt képtelen lenne egy javulással előállni, szerintem őrültség” – magyarázza Lane. ‘Véleményem szerint a szelekció irányítja az intracelluláris ionegyensúlyt’. Szerinte az élet nagyon is képes lett volna nátriumban gazdag környezetben fejlődni, és idővel kifejleszteni azokat az ioneltávolító szivattyúkat, amelyek a jelenlegi káliumban gazdag sejteket létrehozták.”

A fényt látva

A másik vitás pont az ultraibolya (UV) fény jelenléte vagy hiánya. Ez erős befolyást gyakorolhat egy olyan földi eredetű forgatókönyvben, amelyben a korai Földön nem volt védő ózonréteg, de a mélytengeri elméletben teljesen hiányzik. Az RNS-nukleotidok relatív UV-stabilitása arra utal, hogy a szelekció UV-fényben történt – a Föld felszínén, nem pedig a tengerben.

Ez alátámasztaná az RNS 2009-es úttörő szintézisét is, amelyet John Sutherland, az Egyesült Királyságban, a Cambridge-i Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology munkatársa7 javasolt, valamint az általa 2015-ben javasolt nukleinsav-prekurzorok szintézisét, amely csupán hidrogén-cianiddal (HCN), hidrogén-szulfiddal (H2S) és UV-fénnyel kezdődött.8 Az UV-fénnyel való megvilágítás 10 napon keresztül feldúsította a biológiai nukleotidok hozamát, ami súlyt ad annak, hogy szelekciójuk előnyös az UV-fényben. Mulkidjanian azt is felvetette, hogy a cink-szulfid csapadékok katalizátorként működhettek az UV-fényt használó szén-dioxid-redukcióban – a fotoszintézis egy korai formája, amit ő “cinkvilág” forgatókönyvnek nevez

De Lane szerint: “Nagy probléma van azzal, hogy az élet UV-fénnyel fejlődött, vagyis ma egyetlen élet sem használja az UV-t energiaforrásként – inkább a molekulák megsemmisítésére hajlamos, mint a biokémia elősegítésére”. Azt is állítja, hogy az ilyen földi sémában javasolt szintetikus kémia egyszerűen nem hasonlít az általunk ismert életre. “Cianidokkal vagy cink-szulfid fotoszintézissel kezdődik, és a végén egyfajta Frankenstein-kémia jön létre” – mondja Lane. “A kémia működhet, de ezt összekapcsolni az általunk ismert élettel, azt mondanám, hogy határesetileg lehetetlen.”

Diszciplináris szakadék

Közelebbről megnézve, a szárazföldi és az óceáni eredet hívei között szakadék húzódik a tudományágak között. A szintetikus kémikusok általában a kontinentális eredetet, a geológusok és a biológusok pedig többnyire a mélytengeri hidrotermális nyílásokat támogatják. A kémikusok azzal érvelnek, hogy lehetetlen a hidrotermális forrásokban végzett kémia, míg a biológusok azzal érvelnek, hogy a javasolt földi kémia egyszerűen nem hasonlít a biokémiában látottakhoz, és nem csökkenti a geokémia és a biokémia közötti szakadékot.

Szóval van-e mód a tudományágak egyesítésére? “Jelenleg nincs sok közös pont ezek között az elképzelések között” – mondja Lane. Deamer egyetért. ‘Jelenleg csak annyit mondhatunk, hogy mindenkinek joga van ahhoz, hogy az elképzelései alapján plauzibilitási ítéletet hozzon, de aztán kísérleti és megfigyelési teszteket is kell végeznie.’

A kisebb problémák megoldhatók lesznek – ez az, ami reggelente felkel az ágyból

Az, amire szükség van, az a gyilkos bizonyíték vagy kísérlet, ami összeköti a pontokat, és megmagyarázza, hogyan és hol kezdődött az élet egy prebiotikus világból. Igazán nagy áttörés lenne, ha találnánk egy ribozimet a sok trilliónyi véletlenszerű polimer között, amit létrehozunk – javasolja Deamer. A ribozimek olyan RNS-katalizátorok, amelyek a sejt fehérjeszintetizáló gépezetének részét képezik, de az első önreprodukáló molekulák jelöltjei.

Az élet mélytengeri hidrotermális forrásokból való keletkezését alátámasztó további bizonyítékok középpontjában az összetett molekulákhoz vezető metabolikus lépések plauzibilis sorozatának bemutatása áll. A JPL-ben Barge szerint azt vizsgálják, hogyan viselkednek az aminosavak kémiai kertjeikben. “Azon dolgozunk, hogy aminosavat készítsünk, majd megnézzük, hogy megrekednek-e a kéményekben, és hogy lehet-e koncentrálni őket, és esetleg peptideket előállítani.”

“Vannak problémák és nehézségek” – ismeri el Lane. ‘Tényleg el tudjuk-e érni, hogy a szén-dioxid hidrogénnel reagálva olyan összetettebb molekulákat hozzon létre, mint az aminosavak és nukleotidok? Eléggé biztos vagyok benne, hogy képesek vagyunk rá, de tisztában vagyok vele, hogy ezt még nem sikerült bebizonyítanunk. További nehéz kérdések közé tartozik, hogy a lipidmembránok stabilizálhatók-e a magas kalcium- és magnéziumion-koncentrációjú tengervízben. Lane szerint azonban a termodinamikai hajtóerő nagy problémáját a hidrotermális nyílások oldják meg. “Ami bizalmat ad nekem, hogy a kisebb problémák is megoldhatók lesznek ebben a kontextusban, még ha most nehéznek is tűnnek – ez az, ami reggelente felkel az ágyból.”

Azért persze van egy másik lehetőség is – hogy az élet egyáltalán nem is a Földön kezdődött. A pánspermia – az az elmélet, hogy az életet az űrből vetették el, különcnek tűnik, de nem mindenki számol vele. Deamer szerint “lehet érvelni amellett, hogy az élet valójában a Marson kezdődött”, mert ott hűlt le először olyan hőmérsékletre, amely alkalmas volt az élet fenntartására.”

Akár így van, akár nem, az élet máshol mindenképpen elképzelhető. A Jupiter Europa nevű holdja és a Szaturnusz Enceladus nevű holdja jelöltek, mert mindkettő jeges héj alatt óceánok vannak. A következő öt évben a Nasa azt tervezi, hogy űrszondát küld mindkét holdra, hogy az élet jelei után kutasson. Saját eredettörténetünk megértése segíthet abban, hogy kitaláljuk, hol keressük.

1 M J Russell, R M Daniel és A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin és M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel és D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland és J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

A cikket a Chemistry World engedélyével közöljük. A cikk először 2017. április 16-án jelent meg.