Debata szaleje między biologami i chemikami o to, czy życie zaczęło się na lądzie czy pod morzem. Rachel Brazil przygląda się argumentom

Pytanie „Jak zaczęło się życie?” jest ściśle związane z pytaniem „Gdzie zaczęło się życie?”. Większość ekspertów zgadza się co do „kiedy”: 3,8-4 miliardy lat temu. Ale nadal nie ma zgody co do środowiska, które mogło sprzyjać temu wydarzeniu. Od czasu ich odkrycia, głębinowe kominy hydrotermalne są sugerowane jako miejsce narodzin życia, szczególnie kominy alkaliczne, takie jak te znalezione na polu „the Lost City” w środkowym Atlantyku. Jednak nie wszyscy są przekonani, że życie zaczęło się w morzu – wielu twierdzi, że chemia po prostu nie zadziała i szukają miejsca narodzin na lądzie. Z kilkoma hipotezami w grze, wyścig jest na odtworzyć warunki, które pozwoliły na pojawienie się życia.

W 1977 roku, pierwszy głęboki morski odpowietrznik hydrotermalny został odkryty w East Pacific Rise grzbietu śródoceanicznego. Nazwane „czarnymi palaczami”, otwory emitują geotermalnie podgrzaną wodę do 400°C, z wysokim poziomem siarczków, które wytrącają się w kontakcie z zimnym oceanem, tworząc czarny dym. W 2000 roku nastąpiło odkrycie nowego typu alkalicznych głębinowych komór hydrotermalnych, które znajdują się nieco poza osią grzbietów śródoceanicznych. Pierwsze pole, znany jako Zaginione Miasto, został odkryty na podłodze morza Atlantis Massif góry w mid-Atlantic.

Wenty są tworzone przez proces znany jako serpentinization. Seabed rock, w szczególności oliwin (krzemian magnezu żelaza) reaguje z wodą i produkuje duże ilości wodoru. W Zaginionym Mieście, kiedy ciepłe alkaliczne płyny (45-90°C i pH 9-11) mieszają się z wodą morską, tworzą białe kominy z węglanu wapnia o wysokości 30-60 m.

W 1993 roku, zanim jeszcze alkaliczne otwory wentylacyjne zostały faktycznie odkryte, geochemik Michael Russell z Nasa’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) w Kalifornii, USA, zasugerował mechanizm, dzięki któremu życie mogło rozpocząć się w takich otworach wentylacyjnych.1 Jego pomysły, zaktualizowane w 2003 roku,2 sugerują, że życie powstało dzięki wykorzystaniu gradientów energetycznych, które istnieją, gdy alkaliczna woda z otworów wentylacyjnych miesza się z bardziej kwaśną wodą morską (uważa się, że wczesne oceany zawierały więcej dwutlenku węgla niż obecnie).

Odzwierciedla to sposób, w jaki komórki wykorzystują energię. Komórki utrzymują gradient protonów przez pompowanie protonów przez membranę, aby stworzyć różnicę ładunku od wewnątrz do zewnątrz. Znane jako siła protonomotoryczna, może to być równe różnicy około 3 jednostek pH. Jest to skutecznie mechanizm do przechowywania energii potencjalnej i to może być następnie wykorzystane, gdy protony są dopuszczone do przejścia przez membranę do fosforylacji adenozyno difosforanu (ADP), tworząc ATP.

Teoria Russella sugeruje, że pory w kominach ujścia hydrotermalnego dostarczone szablony dla komórek, z tym samym 3 jednostki pH różnica w poprzek cienkich ścian mineralnych połączonych mikroporów ujścia, które oddzielają ujścia i wody morskiej. Ta energia, wraz z katalitycznymi minerałami siarczku żelaza i niklu, pozwoliła na redukcję dwutlenku węgla i produkcję cząsteczek organicznych, następnie samoreplikujących się cząsteczek, a w końcu prawdziwych komórek z ich własnymi błonami.

Ogrody chemiczne

Chemiczka Laura Barge, również pracownik naukowy w JPL, testuje tę teorię za pomocą ogrodów chemicznych – eksperymentu, który być może przeprowadziłeś w szkole. Patrząc na ogrody chemiczne „myślisz, że to życie, ale tak na pewno nie jest” – mówi Barge, która specjalizuje się w samoorganizujących się systemach chemicznych. Klasyczny ogród chemiczny powstaje po dodaniu soli metali do reaktywnego roztworu krzemianu sodu. Aniony metalu i krzemianu wytrącają się, tworząc galaretowatą, koloidalną, półprzepuszczalną membranę otaczającą sól metalu. To ustawia gradient stężenia, który zapewnia impuls do wzrostu wydrążonych kolumn roślinopodobnych.

„Zaczęliśmy symulować to, co można uzyskać z płynem odpowietrzającym i oceanem i możemy hodować maleńkie kominy – są one zasadniczo jak ogrody chemiczne”, wyjaśnia Barge. Aby naśladować wczesny ocean, wstrzykiwała ona roztwory alkaliczne do bogatych w żelazo roztworów kwaśnych, tworząc kominy z wodorotlenku żelaza i siarczku żelaza. Na podstawie tych eksperymentów jej zespół wykazał, że mogą one generować energię elektryczną: niewiele poniżej jednego wolta z czterech ogrodów, ale wystarczająco dużo, aby zasilić diodę LED,3 pokazując, że można odtworzyć rodzaj gradientów protonowych, które dostarczają energii w głębinach morskich.

Nick Lane, biochemik z University College London w Wielkiej Brytanii, również próbuje odtworzyć prebiotyczne systemy geoelektrochemiczne za pomocą swojego reaktora początków życia. Sprzyja on teorii Russella, choć nie jest zadowolony z etykiety „metabolizm pierwszy”, którą często się jej nadaje, w opozycji do teorii „informacja pierwsza”, która zakłada, że synteza replikujących się cząsteczek RNA była pierwszym krokiem do życia. 'Przedstawia się je jako przeciwstawne, ale myślę, że to głupie,’ mówi Lane. 'Jak ja to widzę, próbujemy dowiedzieć się, jak dostać się do świata, w którym masz selekcję i może dać początek czemuś takiemu jak nukleotydy.’

Lane został przekonany przez to, jak blisko geochemia i biochemia wyrównać. Na przykład, minerały takie jak greigite (Fe3S4) znajdują się wewnątrz otworów wentylacyjnych i wykazują pewne związki z klastrami żelaza i siarki znalezionymi w enzymach mikrobiologicznych. Mogły one działać jako prymitywne enzymy do redukcji dwutlenku węgla z wodorem i tworzenia cząsteczek organicznych. 'Istnieją również różnice, bariery są grubsze i tak dalej, ale analogia jest bardzo precyzyjna i dlatego pytanie staje się „Czy jest to wykonalne dla tych naturalnych gradientów protonów, aby przełamać barierę dla reakcji między wodorem i dwutlenkiem węgla?”’

Prosty bench-top, reaktor z otwartym przepływem pochodzenia życia4 Lane’a symuluje warunki ujścia hydrotermalnego. Z jednej strony półprzewodzącej bariery katalitycznej żelazo-niklowo-siarkowej przepompowywany jest płyn alkaliczny symulujący płyny wentylacyjne, a z drugiej strony roztwór kwaśny symulujący wodę morską. Oprócz natężenia przepływu, po obu stronach można zmieniać temperaturę. Pierwszy krok to próba uzyskania reakcji dwutlenku węgla z wodorem w celu wytworzenia związków organicznych i wydaje się, że udało nam się w ten sposób wyprodukować formaldehyd”, mówi Lane.

Do tej pory wydajność była bardzo niska, ale Lane uważa, że mają „dowód zasady”. Pracują nad powtórzeniem swoich wyników i udowodnić, że formaldehyd nie pochodzi z innego źródła, takie jak degradacja rur. Z tych samych warunków, Lane mówi, że były one również w stanie syntetyzować niskie wydajności cukrów, w tym 0,06% ryboza, z formaldehydu, choć nie w stężeniu formaldehydu produkowanego przez reaktor sam.

Głębiej

Investigating hydrotermalne otwory wentylacyjne, geochemik Frieder Klein z Woods Hole Oceanographic Institution w USA odkrył wariację na temat pochodzenia głębin morskich. Znalazł dowody na istnienie życia w skałach pod dnem morskim, które mogły zapewnić odpowiednie środowisko do rozpoczęcia życia.

Klein i współpracownicy przyglądali się próbkom z rdzeni wywierconych z iberyjskiego marginesu kontynentalnego u wybrzeży Hiszpanii i Portugalii w 1993 roku. Próbki pochodziły ze skały 760m poniżej obecnego dna morskiego, które byłoby 65m poniżej wczesnego nieosadzonego dna oceanicznego. W próbkach zauważył kilka nietypowo wyglądających żył, składających się z minerałów znalezionych również w systemie hydrotermalnym Lost City. To było dla mnie intrygujące, ponieważ ten zestaw minerałów powstaje tylko wtedy, gdy miesza się płyny hydrotermalne z wodą morską” – mówi Klein. To sugeruje, że podobna chemia może zachodzić pod dnem morza.

Wewnątrz tych żył, datowanych na 120 milionów lat temu, zespół Kleina znalazł inkluzje skamieniałych mikrobów. Sugeruje on, że wysuszające właściwości minerału brucytu (Mg(OH)2) mogą tłumaczyć zachowanie cząsteczek organicznych pochodzących od mikrobów. Obejmowały one aminokwasy, białka i lipidy, które zidentyfikowano za pomocą konfokalnej spektroskopii ramanowskiej. Klein mówi, że początkowo był sceptyczny, ale analiza wyekstrahowanych próbek potwierdziła unikalne biomarkery lipidowe dla bakterii i archeonów redukujących siarczany, które również występują w systemie kominów hydrotermalnych Lost City.5 Obrazowanie SEM pokazało inkluzje węglowe, które, jak mówi, „wyglądały jak mikrokolonie mikroorganizmów”

Jakkolwiek oczywiście próbki te są znacznie młodsze, „Obecność tych mikrobów mówi nam, że życie jest możliwe w środowiskach dna morskiego w systemach hydrotermalnych, które prawdopodobnie były obecne i aktywne przez większość wczesnej Ziemi”, zauważa Klein. 'Dno podmorskie reprezentuje kolejne bardziej chronione środowisko.’

Landlocked

Ale nie wszyscy zgadzają się, że życie zaczęło się w systemach hydrotermalnych na głębokich wodach morskich. Armen Mulkidjanian z Uniwersytetu Osnabruck w Niemczech mówi, że jest kilka dużych problemów z tym pomysłem, jednym z nich jest względne stężenie jonów sodu i potasu w wodzie morskiej w porównaniu z komórkami.

Mulkidjanian powołuje się na to, co nazywa zasadą zachowania chemii – raz ustanowione w dowolnym środowisku, organizmy zachowają i rozwiną mechanizmy chroniące ich fundamentalną biochemiczną architekturę. Dlatego nie ma sensu, by komórki, które zawierają 10 razy więcej potasu niż sodu, pochodziły z wody morskiej, w której jest 40 razy więcej sodu niż potasu. Jego założenie jest takie, że protokomórki musiały ewoluować w środowisku z większą ilością potasu niż sodu, rozwijając tylko pompy jonowe, aby usunąć niechciany sód, gdy ich środowisko się zmieniło.

Mulkidjanian uważa, że życie mogło powstać z systemów geotermalnych, takich jak syberyjskie pola geotermalne Kamczatka na rosyjskim Dalekim Wschodzie. 'Zaczęliśmy szukać, gdzie moglibyśmy znaleźć warunki z większą ilością potasu niż sodu i jedynymi rzeczami, które znaleźliśmy, były systemy geotermalne, szczególnie tam, gdzie masz opary wychodzące z ziemi’, wyjaśnia. Tylko baseny powstałe w wyniku parowania mają więcej potasu niż sodu; te, które powstały w wyniku geotermalnych wyziewów cieczy, mają więcej sodu niż potasu. Garść takich systemów istnieje dziś we Włoszech, USA i Japonii, ale Mulkidjanian sugeruje, że na gorętszej wczesnej Ziemi można by się spodziewać znacznie więcej.

David Deamer z University of California Santa Cruz w USA bada makromolekuły i błony lipidowe od ponad 50 lat. Podchodzi do tej dziedziny z nieco innego punktu widzenia, który niektórzy nazwali „membranowym pierwszym”. Ale, jak mówi, „jestem całkiem pewien, że najlepszym sposobem na zrozumienie pochodzenia życia jest uświadomienie sobie, że jest to system cząsteczek, z których wszystkie współpracują ze sobą, tak jak w dzisiejszym życiu”. Lokalizacja „sprowadza się do osądu wiarygodności z mojej strony”, on muses.

Jednym z największych argumentów przeciwko pochodzeniu z głębokiego morza jest fakt, że tak wiele makromolekuł znajduje się w biologii. DNA, RNA, białka i lipidy są wszystkie polimery i tworzą poprzez reakcje kondensacji. Potrzebne jest zmienne środowisko, które jest czasem wilgotne, a czasem suche – okres wilgotny, aby składniki mieszały się i oddziaływały, a następnie okres suchy, aby woda została usunięta i składniki te mogły utworzyć polimer’, mówi Mulkidjanian. Nie ma możliwości, aby coś takiego wydarzyło się w komorze hydrotermalnej, ponieważ nie ma tam cykli mokro-suchych”, dodaje Deamer. Cykle mokre i suche zachodzą codziennie w kontynentalnych polach hydrotermalnych. Pozwala to na koncentrację reagentów, a także polimeryzację.

Założenie, że dobór naturalny jest niezdolny przez 4 miliardy lat do wymyślenia ulepszenia, uważam za szalone

Deamer próbował stworzyć własne protokomórki w laboratorium – mieszając lipidy i składniki RNA adenozynomonofosforan i monofosforan urydyny. Po wysuszeniu lipidy samoistnie składają się w struktury przypominające membrany, a jeśli nukleotydy zostaną uwięzione między warstwami lipidów, ulegną estryfikacji, tworząc polimery podobne do RNA. W wielokrotnych cyklach mokro-suchych wydajność wzrasta do 50%.6

Deamer potwierdził obecność tych polimerów wewnątrz 'protocells’ za pomocą technik bezpośredniego sekwencjonowania RNA. 'Naprawdę mamy jednoniciowe cząsteczki, które są w zakresie wielkości biologicznego RNA’, ale Deamer ostrzega, że nie jest to RNA takie, jakie jest w organizmie biologicznym. Stworzył mieszaninę RNA, niektóre z grup fosforanowych związanych jak są w naturze, ale niektóre związane „nienaturalnie”, który wnioskuje następnie „musiał podlegać selekcji i ewolucji w tych małych protocells”.

Ale obóz głębokich morskich hydrotermalnych vent nie jest gotowy, aby rzucić w ręcznik jeszcze. Barge mówi, że środowisko ujścia może pozwolić na koncentrację reaktantów i reakcje kondensacji. 'Masz żele na całym dnie morza, masz minerały, które absorbują rzeczy, a w samej membranie są żele, więc możesz mieć odwadniające warunki reakcji, mimo że cały system jest wodny.’

Lane odrzuca również pomysł, że poziomy jonów potasu lub sodu mogą naprawić przyszłe procesy metaboliczne. Założenie, że dobór naturalny jest niezdolny przez 4 miliardy lat do wymyślenia ulepszenia, uważam za szalone”, wyjaśnia Lane. 'Moim zdaniem, selekcja napędza wewnątrzkomórkową równowagę jonową’. Uważa on, że życie byłoby całkiem zdolne do ewolucji w środowisku bogatym w sód i z czasem rozwijającym pompy usuwające jony, które tworzą obecne komórki bogate w potas.

Seeing the light

Jednym z innych punktów spornych jest obecność lub brak promieniowania ultrafioletowego (UV). To mogłoby być silny wpływ w ziemskim pochodzeniu scenariusz z żadną ochronną warstwą ozonową na wczesnej ziemi, ale zupełnie nieobecny w głębokiej morskiej teorii. Względna stabilność UV nukleotydów RNA sugeruje, że selekcja zachodziła w świetle UV – na powierzchni Ziemi, a nie w morzu.

To również wspierałoby przełomową syntezę RNA zaproponowaną7 w 2009 r. przez Johna Sutherlanda z brytyjskiego Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology w Cambridge i jego sugerowaną syntezę prekursorów kwasów nukleinowych z 2015 r., zaczynającą się od cyjanowodoru (HCN), siarkowodoru (H2S) i światła UV.8. Oświetlanie światłem UV przez 10 dni wzbogaciło wydajność biologicznych nukleotydów, dodając wagę do ich selekcji uprzywilejowanej w świetle UV. Mulkidjanian zasugerował również, że osady siarczku cynku mogły działać jako katalizatory redukcji dwutlenku węgla przy użyciu światła UV – wczesna forma fotosyntezy, którą nazywa scenariuszem „cynkowego świata”

Ale według Lane’a, „Istnieje duży problem z życiem ewoluującym przy świetle UV, co oznacza, że żadne życie nie używa dziś UV jako źródła energii – ma ono tendencję do niszczenia cząsteczek, a nie promowania biochemii. Argumentuje on również, że syntetyczna chemia proponowana w takim ziemskim schemacie po prostu nie wygląda jak życie, jakie znamy. Zaczyna się od cyjanków lub fotosyntezy siarczku cynku, a kończy na czymś w rodzaju chemii Frankensteina’ – mówi Lane. Chemia może zadziałać, ale połączenie tego z życiem, jakie znamy, powiedziałbym, że jest graniczne niemożliwe’

Dyscyplinarna przepaść

Patrząc bliżej, przepaść między tymi, którzy popierają pochodzenie lądowe i tymi, którzy popierają pochodzenie oceaniczne jest podzielona między dyscypliny. Chemicy syntetyczni generalnie sprzyjają pochodzeniu kontynentalnemu, a geolodzy i biolodzy głównie głębinowym kominom hydrotermalnym. Chemicy twierdzą, że to niemożliwe, aby zrobić chemię w hydrotermalnych otworów wentylacyjnych, podczas gdy biolodzy twierdzą, że chemia lądowa zaproponował po prostu nie jest jak wszystko, co widziano w biochemii i nie zmniejsza różnicę między geochemii i biochemii.

Więc jest sposób, aby zjednoczyć dyscypliny? W tej chwili nie ma zbyt wiele wspólnego między tymi pomysłami”, mówi Lane. Deamer zgadza się z tym. 'W tym momencie wszystko, co możemy powiedzieć, to to, że każdy ma prawo do oceny wiarygodności na podstawie swoich pomysłów, ale potem musi również przeprowadzić testy eksperymentalne i obserwacyjne.’

Mniejsze problemy da się rozwiązać – to jest to, co wstaje rano z łóżka

To, czego potrzebujemy, to ten zabójczy dowód lub eksperyment, który mógłby połączyć kropki razem i wyjaśnić, jak i gdzie życie zaczęło się od prebiotycznego świata. Byłby to naprawdę wielki przełom, gdybyśmy mogli znaleźć rybozym wśród tych wszystkich trylionów przypadkowych polimerów, które tworzymy” – sugeruje Deamer. Rybozymy są katalizatorami RNA, które są częścią maszynerii syntezy białek w komórce, ale są kandydatami na pierwsze samoreplikujące się cząsteczki.

Dalsze dowody na poparcie powstania życia w głębinowych kominkach hydrotermalnych skupiają się na wykazaniu wiarygodnego zestawu kroków metabolicznych prowadzących do złożonych cząsteczek. W JPL, patrzą na to, jak aminokwas zachowuje się w ich ogrodach chemicznych, według Barge. 'Pracujemy nad stworzeniem aminokwasów, a następnie sprawdzamy, czy utkną w kominach i czy można je skoncentrować i być może stworzyć jakieś peptydy.’

’Istnieją problemy i trudności,’ przyznaje Lane. 'Czy naprawdę możemy sprawić, by dwutlenek węgla reagował z wodorem, tworząc bardziej złożone cząsteczki, takie jak aminokwasy i nukleotydy? Jestem dość pewny, że możemy to zrobić, ale mam świadomość, że jeszcze tego nie zademonstrowaliśmy. Inne trudne pytania dotyczą tego, czy błony lipidowe mogą być stabilizowane w wodzie morskiej o wysokim stężeniu jonów wapnia i magnezu. Ale mówi Lane, że duży problem termodynamicznej siły napędowej jest rozwiązany przez otwory hydrotermalne. 'Co daje mi pewność, że mniejsze problemy będą również rozwiązywalne w tym kontekście, nawet jeśli teraz wyglądają na trudne – to jest to, co wyciąga mnie z łóżka rano.’

Oczywiście jest jeszcze jedna możliwość – że życie nie zaczęło się na Ziemi w ogóle. Panspermia – teoria, że życie zostało zasiane z kosmosu, wydaje się ekscentryczna, ale nie wszyscy ją wykluczają. 'Można wysunąć argument, że życie faktycznie zaczęło się na Marsie’, według Deamera, ponieważ jako pierwszy ochłodził się do temperatury, która mogła wspierać życie.

Czy tak jest, czy nie, życie gdzie indziej jest z pewnością wykonalne. Księżyc Jowisza Europa i księżyc Saturna Enceladus są kandydatami, ponieważ oba mają oceany pod lodowymi skorupami. W ciągu najbliższych pięciu lat Nasa planuje wysłać sondę kosmiczną na oba te księżyce w celu poszukiwania oznak życia. Zrozumienie naszej własnej historii pochodzenia mogłoby nam pomóc w ustaleniu, gdzie szukać.

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

2 W Martin and 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 and D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and 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)

Ten artykuł został powielony za zgodą Chemistry World. Artykuł został po raz pierwszy opublikowany 16 kwietnia 2017 r.

.