Dezbaterea face ravagii între biologi și chimiști pentru a stabili dacă viața a început pe uscat sau sub mare. Rachel Brazil analizează argumentele

Întrebarea „Cum a început viața?” este strâns legată de întrebarea „Unde a început viața?”. Majoritatea experților sunt de acord cu privire la „când”: acum 3,8-4 miliarde de ani. Dar nu există încă un consens în ceea ce privește mediul care ar fi putut favoriza acest eveniment. De la descoperirea lor, au fost sugerate ca loc de naștere a vieții izvoarele hidrotermale de mare adâncime, în special cele alcaline, precum cele găsite în câmpul „Orașul pierdut” din mijlocul Atlanticului. Dar nu toată lumea este convinsă că viața a început în mare – mulți spun că chimia pur și simplu nu va funcționa și caută un loc de naștere pe uscat. Cu mai multe ipoteze în joc, a început cursa pentru a reproduce condițiile care au permis apariția vieții.

În 1977, prima gură de aerisire hidrotermală de mare adâncime a fost descoperită în creasta medio-oceanică East Pacific Rise. Denumite „fumători negri”, aceste guri de aerisire emit apă încălzită geotermic până la 400°C, cu niveluri ridicate de sulfuri care precipită la contactul cu oceanul rece pentru a forma fumul negru. Această descoperire a fost urmată, în 2000, de descoperirea unui nou tip de aerisire hidrotermală alcalină de mare adâncime, care se găsește puțin în afara axei crestelor din mijlocul oceanelor. Primul zăcământ, cunoscut sub numele de Orașul Pierdut, a fost descoperit pe fundul mării în masivul montan Atlantis Massif din mijlocul Atlanticului.

Veventele sunt formate printr-un proces cunoscut sub numele de serpentinizare. Rocile de pe fundul mării, în special olivina (silicat de magneziu și fier) reacționează cu apa și produce volume mari de hidrogen. În Orașul Pierdut, atunci când fluidele alcaline calde (45-90°C și pH 9-11) sunt amestecate cu apa de mare, acestea creează coșuri albe de carbonat de calciu înalte de 30-60 m.

În 1993, înainte ca gurile de aerisire alcaline să fie descoperite efectiv, geochimistul Michael Russell de la Jet Propulsion Laboratory (JPL) al Nasa din California, SUA, a sugerat un mecanism prin care viața ar fi putut începe la astfel de guri de aerisire.1 Ideile sale, actualizate în 2003,2 sugerează că viața a apărut prin valorificarea gradienților de energie care există atunci când apa alcalină din gurile de ventilație se amestecă cu apa de mare mai acidă (se crede că oceanele timpurii conțineau mai mult dioxid de carbon decât în prezent).

Acest lucru oglindește modul în care celulele valorifică energia. Celulele mențin un gradient de protoni prin pomparea protonilor de-a lungul unei membrane pentru a crea o diferență de sarcină din interior spre exterior. Cunoscută sub numele de forța motrice a protonilor, aceasta poate fi echivalată cu o diferență de aproximativ 3 unități de pH. Este efectiv un mecanism de stocare a energiei potențiale, iar aceasta poate fi apoi valorificată atunci când protonilor li se permite să treacă prin membrană pentru a fosforila adenozin difosfat (ADP), producând ATP.

Teoria lui Russell sugerează că porii din coșurile de ventilație hidrotermală au oferit șabloane pentru celule, cu aceeași diferență de 3 unități de pH între pereții minerali subțiri ai microporilor de ventilație interconectați care separă ventilația și apa de mare. Această energie, împreună cu mineralele catalitice de sulfură de fier și nichel, a permis reducerea dioxidului de carbon și producerea de molecule organice, apoi de molecule care se autoreplică și, în cele din urmă, de celule adevărate cu propriile membrane.

Grădini chimice

Chimista Laura Barge, de asemenea cercetător științific la JPL, testează această teorie folosind grădini chimice – un experiment pe care poate l-ați efectuat la școală. Privind grădinile chimice „te gândești că este viață, dar cu siguranță nu este”, spune Barge, specializată în sisteme chimice auto-organizate. Grădina chimică clasică se formează prin adăugarea de săruri metalice la o soluție reactivă de silicat de sodiu. Anionii de metal și de silicat precipită pentru a forma o membrană gelatinoasă coloidală semipermeabilă care înconjoară sarea de metal. Acest lucru stabilește un gradient de concentrație care oferă impulsul pentru creșterea unor coloane goale asemănătoare unor plante.

„Am început să simulăm ceea ce s-ar putea obține cu un fluid de ventilație și cu oceanul și putem crește mici coșuri de fum – acestea sunt, în esență, ca niște grădini chimice”, explică Barge. Pentru a imita oceanul timpuriu, ea a injectat soluții alcaline în soluții acide bogate în fier, creând coșuri de hidroxid de fier și sulfură de fier. În urma acestor experimente, echipa ei a ilustrat că acestea pot genera electricitate: puțin sub un volt din patru grădini, dar suficient pentru a alimenta un LED3, arătând că tipul de gradienți de protoni care furnizează energie în gurile de aerisire din adâncurile marine poate fi reprodus.

Nick Lane, biochimist la University College London din Marea Britanie, a încercat, de asemenea, să recreeze sisteme geoelectrochimice prebiotice cu reactorul său „Originea vieții”. El este favorabil teoriei lui Russell, deși nu este mulțumit de eticheta de „metabolism mai întâi” care i se atribuie adesea, în opoziție cu teoria „informației mai întâi”, care presupune că sintetizarea moleculelor de ARN care se replică a fost primul pas către viață. ‘Ele sunt prezentate ca fiind opuse, dar eu cred că este o prostie’, spune Lane. ‘După cum văd eu lucrurile, noi încercăm să aflăm cum se ajunge la o lume în care există selecție și care poate da naștere la ceva precum nucleotidele.’

Lane a fost convins de cât de mult se aliniază geochimia și biochimia. De exemplu, minerale precum greigitul (Fe3S4) se găsesc în interiorul gurilor de aerisire și acestea prezintă unele relații cu clusterele de fier-sulf găsite în enzimele microbiene. Acestea ar fi putut acționa ca enzime primitive pentru reducerea dioxidului de carbon cu hidrogen și formarea de molecule organice. ‘Există și diferențe, barierele sunt mai groase și așa mai departe, dar analogia este foarte precisă și astfel întrebarea devine „Este fezabil ca aceste gradienți naturali de protoni să spargă bariera în calea reacției dintre hidrogen și dioxid de carbon?”‘

Reactorul simplu de banc de lucru al lui Lane, cu flux deschis al originilor vieții4 simulează condițiile de ventilație hidrotermală. Pe o parte a unei bariere catalitice semiconductoare din fier, nichel și sulf, este pompat un fluid alcalin pentru a simula fluidele de ventilație, iar pe cealaltă parte, o soluție acidă care simulează apa de mare. La fel ca și debitele, temperaturile pot fi variate pe ambele părți. De-a lungul membranei, „Primul pas este încercarea de a face ca dioxidul de carbon să reacționeze cu hidrogenul pentru a produce substanțe organice și se pare că am reușit să producem formaldehidă în acest mod”, spune Lane.

Până în prezent, randamentele au fost foarte scăzute, dar Lane consideră că au o „dovadă de principiu”. Ei lucrează la replicarea rezultatelor lor și la dovedirea faptului că formaldehida observată nu provine dintr-o altă sursă, cum ar fi degradarea tuburilor. În aceleași condiții, Lane spune că au reușit, de asemenea, să sintetizeze randamente mici de zaharuri, inclusiv 0,06% riboză, din formaldehidă, deși nu la concentrația de formaldehidă produsă doar de reactor.

Săpătură mai adâncă

Investigând gurile de aerisire hidrotermale, geochimistul Frieder Klein de la Woods Hole Oceanographic Institution din SUA a descoperit o variantă a poveștii originii din adâncul mării. El a găsit dovezi de viață în rocile de sub fundul mării, care ar fi putut oferi mediul potrivit pentru ca viața să se înfiripe.

Klein și colegii săi au analizat eșantioane din carote forate din marja continentală iberică din largul coastelor Spaniei și Portugaliei în 1993. Probele proveneau din rocă aflată la 760 m sub fundul actual al mării, care ar fi fost la 65 m sub fundul oceanic timpuriu nesedimentat. El a observat în eșantioane niște vene cu aspect neobișnuit, compuse din minerale găsite și în sistemul hidrotermal Lost City. „Acest lucru m-a intrigat, deoarece acest ansamblu de minerale se formează doar atunci când se amestecă fluidele hidrotermale cu apa de mare”, spune Klein. Acest lucru sugerează că o chimie similară ar putea avea loc sub fundul mării.

În aceste vene, datate cu 120 de milioane de ani în urmă, echipa lui Klein a găsit incluziuni de microbi fosilizați. El sugerează că proprietățile desecante ale mineralului brucita (Mg(OH)2) ar putea explica conservarea moleculelor organice ale microbilor. Printre acestea se numără aminoacizi, proteine și lipide care au fost identificate prin spectroscopie confocală Raman. Klein spune că inițial a fost sceptic, dar analiza probelor extrase a confirmat biomarkeri lipidici unici pentru bacteriile și archaea reducătoare de sulfat, care se găsesc, de asemenea, în sistemul de guri hidrotermale Lost City.5 Imaginile SEM au arătat incluziuni de carbon despre care el spune că „păreau să arate ca niște microcolonii de microorganisme”

Chiar dacă, în mod evident, aceste eșantioane sunt mult mai tinere, „prezența acestor microbi ne spune că viața este posibilă în mediile de pe fundul mării în sistemele hidrotermale, care au fost probabil prezente și active în cea mai mare parte a Pământului timpuriu”, observă Klein. ‘Fundul subacvatic reprezintă un alt mediu mai protejat.’

Landlocked

Dar nu toată lumea este de acord că viața a început în sistemele hidrotermale din adâncul mării. Armen Mulkidjanian de la Universitatea din Osnabruck, Germania, spune că există câteva probleme mari cu această idee, una dintre ele fiind concentrațiile relative de ioni de sodiu și potasiu găsite în apa de mare în comparație cu celulele.

Mulkidjanian invocă ceea ce el numește principiul conservării chimiei – odată stabilite în orice mediu, organismele vor păstra și vor evolua mecanisme pentru a-și proteja arhitectura biochimică fundamentală. El spune că, prin urmare, nu are sens ca celulele care conțin de 10 ori mai mult potasiu decât sodiu să își aibă originile în apa de mare, care are de 40 de ori mai mult sodiu decât potasiu. Ipoteza sa este că protocelulele trebuie să fi evoluat într-un mediu cu mai mult potasiu decât sodiu, dezvoltând pompe de ioni pentru a elimina sodiul nedorit doar atunci când mediul lor s-a schimbat.

Mulkidjanian crede că viața ar fi putut lua naștere din sisteme geotermale, cum ar fi câmpurile geotermale siberiene Kamchatka din Extremul Orient rusesc. ‘Am început să căutăm unde am putea găsi condiții cu mai mult potasiu decât sodiu și singurele lucruri pe care le-am găsit au fost sistemele geotermale, în special acolo unde există vapori care ies din pământ’, explică el. Doar bălțile create din guri de vapori au mai mult potasiu decât sodiu; cele formate din guri de lichid geotermale au în continuare mai mult sodiu decât potasiu. O mână de astfel de sisteme există astăzi, în Italia, SUA și Japonia, dar Mulkidjanian sugerează că pe Pământul timpuriu, mai fierbinte, te-ai aștepta la mult mai multe.

David Deamer de la Universitatea California Santa Cruz din SUA studiază macromoleculele și membranele lipidice de peste 50 de ani. El vine în acest domeniu dintr-un unghi ușor diferit, pe care unii l-au numit „prima membrană”. Dar, spune el, „sunt destul de sigur că cel mai bun mod de a înțelege originea vieții este să ne dăm seama că aceasta este un sistem de molecule care funcționează toate împreună, la fel ca în viața de astăzi”. Localizarea ‘se reduce la o judecată de plauzibilitate din partea mea’, meditează el.

Unul dintre cele mai mari argumente împotriva originii din adâncurile marine este faptul că în biologie se găsesc atât de multe macromolecule. ADN-ul, ARN-ul, proteinele și lipidele sunt toate polimeri și se formează prin reacții de condensare. ‘Aveți nevoie de un mediu fluctuant care să fie uneori umed și alteori uscat – o perioadă umedă pentru ca componentele să se amestece și să interacționeze și apoi o perioadă uscată pentru ca apa să fie eliminată și aceste componente să poată forma un polimer’, spune Mulkidjanian. ‘Nu există nicio posibilitate ca acest tip de lucru să se întâmple în fântânile hidrotermale, deoarece acolo nu poți avea cicluri umede și uscate’, adaugă Deamer. Ciclurile umede și uscate au loc în fiecare zi în câmpurile hidrotermale continentale. Acest lucru permite concentrarea reactivilor, precum și polimerizarea.

Ipoteza că selecția naturală este incapabilă, pe parcursul a 4 miliarde de ani, să vină cu o îmbunătățire cred că este o nebunie

Deamer a încercat să-și creeze propriile protocelule în laborator – prin amestecarea lipidelor și a componentelor ARN adenozin monofosfat și uridin monofosfat. Când se usucă, lipidele se autoasamblează în structuri asemănătoare unei membrane, iar dacă nucleotidele sunt prinse între straturile lipidice, acestea vor suferi esterificare pentru a produce polimeri asemănători ARN-ului. Pe parcursul mai multor cicluri umed-uscat, randamentul crește până la 50%.6

Deamer a confirmat prezența acestor polimeri în interiorul „protocelulelor” prin tehnici de secvențiere directă a ARN-ului. ‘Avem într-adevăr molecule monocatenare care se află în intervalul de mărime al ARN-ului biologic’, dar Deamer avertizează că nu este vorba de ARN așa cum este el într-un organism biologic. El a creat un amestec de ARN, unele cu grupări de fosfat legate așa cum sunt în natură, dar unele legate „nefiresc”, care, concluzionează el, atunci „trebuie să fi fost supuse selecției și evoluției în aceste mici protocelule”.

Dar tabăra gurilor de aerisire hidrotermală din adâncul mării nu este gata să arunce încă prosopul. Barge spune că mediul de ventilație ar putea permite concentrarea reactanților și reacții de condensare. ‘Aveți geluri peste tot pe fundul mării, aveți minerale care absorb lucruri și în membrana însăși există geluri, astfel încât puteți avea condiții de reacție de deshidratare chiar dacă întregul sistem este apos.’

Lane respinge, de asemenea, ideea că nivelurile de ioni de potasiu sau sodiu ar putea fixa viitoarele procese metabolice. ‘Presupunerea că selecția naturală este incapabilă, pe parcursul a 4 miliarde de ani, să vină cu o îmbunătățire, cred că este o nebunie’, explică Lane. ‘În opinia mea, selecția conduce echilibrul ionic intracelular’. El crede că viața ar fi fost destul de capabilă să evolueze într-un mediu bogat în sodiu și, în timp, să dezvolte pompele de eliminare a ionilor care creează actualele celule bogate în potasiu.

Văzând lumina

Un alt punct de dispută este prezența sau absența luminii ultraviolete (UV). Aceasta ar putea fi o influență puternică într-un scenariu de origine terestră, fără strat protector de ozon pe Pământul timpuriu, dar complet absentă în teoria adâncurilor marine. Stabilitatea relativă la UV a nucleotidelor ARN sugerează că selecția a avut loc în lumină UV – pe suprafața Pământului, nu în mare.

Acest lucru ar susține, de asemenea, sinteza revoluționară a ARN-ului propusă în 20097 de John Sutherland de la Laboratorul de Biologie Moleculară al Consiliului de Cercetare Medicală din Marea Britanie din Cambridge și sinteza sugerată de acesta în 2015 a precursorilor de acid nucleic pornind doar de la cianură de hidrogen (HCN), hidrogen sulfurat (H2S) și lumină UV.8 Iluminarea cu lumină UV timp de 10 zile a îmbogățit randamentele nucleotidelor biologice, adăugând greutate la faptul că selecția lor este avantajată în lumină UV. Mulkidjanian a sugerat, de asemenea, că precipitatele de sulfură de zinc ar fi putut acționa ca catalizatori pentru reducerea dioxidului de carbon folosind lumina UV – o formă timpurie de fotosinteză pe care el o numește scenariul „lumii zincului”

Dar, potrivit lui Lane, „există o mare problemă în ceea ce privește viața care evoluează cu lumina UV, ceea ce înseamnă că nici o formă de viață de astăzi nu folosește UV ca sursă de energie – aceasta tinde să distrugă moleculele mai degrabă decât să promoveze biochimia”. El susține, de asemenea, că chimia sintetică propusă într-o astfel de schemă terestră pur și simplu nu seamănă cu viața așa cum o cunoaștem noi. „Se începe cu cianuri sau cu fotosinteza cu sulfură de zinc și se ajunge la un fel de chimie Frankenstein”, spune Lane. ‘Chimia ar putea funcționa, dar aș spune că este la limita imposibil să o asociezi cu viața așa cum o cunoaștem’

Diviziune disciplinară

Cu o privire mai atentă, diviziunea dintre cei care susțin o origine terestră și cei care susțin o origine oceanică este împărțită între discipline. Chimiștii de sinteză sunt, în general, în favoarea unei origini continentale, iar geologii și biologii, în principal, a izvoarelor hidrotermale de mare adâncime. Chimiștii susțin că este imposibil să se realizeze chimia din fântânile hidrotermale, în timp ce biologii susțin că chimia terestră propusă pur și simplu nu seamănă cu nimic din ceea ce se vede în biochimie și nu reduce decalajul dintre geochimie și biochimie.

Există deci o modalitate de a unifica disciplinele? ‘În acest moment nu există prea multe puncte comune între aceste idei’, spune Lane. Deamer este de acord. ‘În acest moment, tot ce putem spune este că toată lumea are dreptul de a face o judecată de plauzibilitate pe baza ideilor lor, dar apoi trebuie să facă și teste experimentale și observaționale.’

Problemele mai mici vor putea fi rezolvate – asta este ceea ce mă face să mă ridic din pat dimineața

Ceea ce este necesar este acea dovadă sau experiment ucigaș care ar putea uni punctele împreună și explica cum și unde a început viața dintr-o lume prebiotică. ‘Ar fi cu adevărat o mare descoperire dacă am putea găsi o ribozomă printre toate aceste trilioane de polimeri aleatorii pe care îi producem’, sugerează Deamer. Ribozimele sunt catalizatori de ARN care fac parte din mașinăria de sinteză a proteinelor din celulă, dar sunt candidați pentru primele molecule autoreplicante.

Principalele dovezi în sprijinul originii vieții în fântânile hidrotermale din adâncul mării se concentrează pe prezentarea unui set plauzibil de etape metabolice care duc la molecule complexe. La JPL, se analizează modul în care se comportă aminoacizii în grădinile lor chimice, potrivit lui Barge. ‘Lucrăm la fabricarea unui aminoacid și apoi vedem dacă se blochează în coșurile de fum și dacă le puteți concentra și poate realiza niște peptide.’

‘Există probleme și dificultăți’, recunoaște Lane. ‘Putem într-adevăr să facem dioxidul de carbon să reacționeze cu hidrogenul pentru a face molecule mai complexe, cum ar fi aminoacizii și nucleotidele? Sunt destul de încrezător că putem face acest lucru, dar sunt conștient că nu am demonstrat încă acest lucru’. Alte întrebări dificile includ dacă membranele lipidice pot fi stabilizate în apa de mare, cu concentrațiile sale ridicate de ioni de calciu și magneziu. Dar spune Lane că marea problemă a forței motrice termodinamice este rezolvată de izvoarele hidrotermale. ‘Ceea ce îmi dă încredere că și problemele mai mici vor putea fi rezolvate în acest context, chiar dacă acum par dificile – asta este ceea ce mă face să mă ridic din pat dimineața.’

Există, desigur, o altă posibilitate – ca viața să nu fi început deloc pe Pământ. Panspermia – teoria conform căreia viața a fost însămânțată din spațiu, pare excentrică, dar nu toată lumea o socotește exclusă. ‘Se poate argumenta că viața a început de fapt pe Marte’, potrivit lui Deamer, deoarece acesta a fost primul care s-a răcit până la temperaturi care ar putea susține viața.

Chiar dacă acesta este cazul sau nu, viața în altă parte este cu siguranță fezabilă. Europa, luna lui Jupiter, și Enceladus, luna lui Saturn, sunt candidate, deoarece ambele au oceane sub învelișuri de gheață. În următorii cinci ani, Nasa intenționează să trimită o sondă spațială pe aceste două luni pentru a căuta semne de viață. Înțelegerea propriei noastre povești de origine ne-ar putea ajuta să ne dăm seama unde să căutăm.

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

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

7 M W Powner, B Gerland și 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)

Acest articol este reprodus cu permisiunea Chemistry World. Articolul a fost publicat pentru prima dată la 16 aprilie 2017.

.