Skąd się wzięło życie?

16-06-2016
Życie. Dla jednych najcenniejszy dar, dla innych nobelon, a dla wszystkich bez wyjątku – fundamentalna właściwość świata, który zamieszkujemy. Jego istotę zgłębiamy od tysięcy lat – zarówno na poziomie biochemii, jak i metafizyki – a mimo to odpowiedź na podstawowe pytanie dotyczące jego genezy rzadko kiedy zaprząta nam głowy. A skoro na blogu zawsze spotykamy się po to, by pogadać sobie właśnie (i dosłownie!) o życiu, to może dacie się dzisiaj zaprosić na podróż kilka miliardów lat wstecz, by sprawdzić, jak w ogóle mogło dojść do powstania tego dziwnego tworu? Skąd wzięło się życie, jak ewoluowało i czym różniło od tego dzisiejszego? Ciekawi? Chodźcie!  

Jak się pewnie domyślacie, badanie początków życia jest trudne. Nie dysponujemy niestety maszyną, która mogłaby przenieść nas w czasie (zresztą, nie wiedzielibyśmy nawet dokładnie, do jakiego okresu należałoby zrobić sobie wycieczkę, żeby być świadkiem narodzin życia), a pierwsze żyjące cząstki były na tyle małe, że nie ma właściwie żadnych szans, by pozostawiły po sobie ślad w postaci skamieniałości. Inny problem jest też taki, że nawet gdyby była możliwość pozostawienia gdziekolwiek śladu po pierwszym życiu, tak właściwie sami nie wiemy, czego powinniśmy szukać.

Rozważania o pierwszym życiu pozostają więc w dużej mierze w sferze domysłów

Jedna z teorii mówi na przykład o tym, że życie powstało gdzieś w kosmosie i przywędrowało na Ziemię razem z uderzającym w nią meteorytem, lub innym głazem. Czy jest ona słuszna? Być może. W całym kosmosie jest pewnie mnóstwo miejsc, w których życie miałoby całkiem niezłe warunki do tego, by się narodzić, a ja sama czułabym się lepiej, wiedząc, że mój praprapraprapraprapradziadek był obywatelem wszechświata

IMG_4642

Hipoteza, wedle której życie ma kosmiczną genezę (nazywana panspermią) ma jednak jedną, bardzo poważną wadę. Otóż tak naprawdę nie stara się ona wyjaśnić, jak powstało życie, tylko zwyczajnie przenosi ten problem na inną planetę, skupiając się raczej na tym, czy jest możliwe powstanie takich form przetrwalnikowych, które umożliwiłyby wczesnym postaciom życia odbycie podróży na Ziemię w skrajnie niekorzystnych kosmicznych warunkach.  

Teoria panspermii zamiatająca problem powstania życia pod dywan. Schemat.

Teoria panspermii zamiatająca problem powstania życia pod dywan. Schemat.

Panspermię odłóżmy zatem na chwilę na bok, bo… zapomnieliśmy o jednym.

Czym w ogóle jest życie?

Skoro mamy go szukać, wypadałoby najpierw stworzyć jakąś definicję, która pozwoli nam na wyznaczenie granicy pomiędzy tym, co czysto chemiczne, a tym, co można już nazwać obiektem żywym. To nie temat na teraz, ale zdefiniowanie życia do dzisiaj, po tysiącach lat badań i rozważań nad jego istotą, wciąż sprawia nauce wiele kłopotu. Na potrzeby poszukiwania początków życia zdefiniowano je, w bardzo redukcjonistycznej postaci, jako coś, co po pierwsze – potrafi się samo replikować, a po drugie – podlega doborowi naturalnemu.

A zatem może pierwsze życie wyglądało tak:

Yyy. Jakby to... Nie.

Organizm zdolny do rozmnażania się oraz podlegający doborowi naturalnemu. Schemat.

Yyy. No jakby to… Nie.

To może tak:
Komórka. Schemat.

Komórka. Schemat.

Hipoteza, zgodnie z którą pierwsze życie miałoby postać prymitywnej komórki, brzmi już nieco lepiej, ale wciąż jest mało prawdopodobna. Jeśli pierwsza żywa istota miałaby być oddzielona od środowiska jakąś błoną, to prawdopodobnie błona ta składałaby się z lipidów. Lipidy nie przepuszczają natomiast ot tak wszystkich substancji i uniemożliwiłyby swobodny przepływ naładowanych cząsteczek do wnętrza takiego pęcherzyka. Obecność błony wymagałaby więc systemu kanałów, które w wybiórczy sposób regulowałyby stężenie przeróżnych substancji w środku tej prototypowej komórki. Taki system transportowy wydaje się być zbyt skomplikowany i wyrafinowany, by mógł powstać jako dzieło przypadku. Aby mówić o pierwszym życiu musimy zejść na poziom… 

Cząsteczki

Pierwsze życie prawdopodobnie było maksymalnie zredukowane i stanowiło układ chemicznych cząsteczek (choć tak właściwie pozostaje takie do dziś). Spośród wszystkich cząsteczek, które obecnie odpowiadają za to, jak wygląda życie, warunki, o których mówiliśmy wyżej (czyli replikowanie się i poddanie doborowi naturalnemu) mogłyby być spełnione przez dwie – DNA i RNA. 

Aby zrozumieć, która z tych dwóch cząsteczek miała większe szanse na to, by wygrać wyścig o wcześniejsze zawiadywanie życiem, wróćmy na moment do szkoły i przypomnijmy sobie podstawy jego działania. Otóż DNA to ta cząsteczka, która zapisuje całość informacji genetycznej, jaka jest potrzebna komórkom do funkcjonowania. Aby móc zapisaną w ten sposób informację zrealizować, komórka przepisuje sobie DNA na roboczą kopię w postaci RNA. Ta ostatnia cząsteczka staje się natomiast matrycą, na podstawie której w komórce składane są niezbędne białka i właśnie w ten sposób realizowane są wszystkie życiowe funkcje.

IMG_4645

Zasada, zgodnie z którą informacja może przepływać tylko w jednym kierunku – od DNA do białka, a nie na odwrót – nazywana jest centralnym dogmatem biologii molekularnej.

Jak łatwo zauważyć, obecny system realizowania funkcji życiowych jest skomplikowany i nawet po maksymalnym uproszczeniu wciąż składa się z minimum trzech etapów – replikowania DNA, tworzenia kopii RNA i przepisywania informacji zawartej w RNA na białka. Poza wieloetapowością, mamy tu także do czynienia z dwoma różnymi rodzajami cząsteczek – kwasami nukleinowymi (DNA i RNA) oraz białkami – których istnienie bez siebie albo nie ma sensu, albo jest niemożliwe. DNA może sobie przecież kodować co tylko chce, ale bez białka, które taki kod wykona, pozostaje zupełnie bezużyteczne. Funkcjonalne białko nie może natomiast powstać bez udziału DNA, bo niby skąd wziąć informację o jego strukturze?

Maszyneria komórkowa obsługująca taki proces wymaga dużego stopnia uporządkowania i z wielu względów jest bardzo mało prawdopodobne, by mogła ona powstać samorzutnie i stanowić pierwszą, wyjściową formę życia. Taki układ zakładałby na przykład istnienie od samego początku kodu genetycznego (czyli systemu, zgodnie z którym kolejność zasad azotowych w łańcuchu DNA określa kolejność aminokwasów w syntezowanych białkach), a skadinąd wiadomo na przykład, że w początkach życia liczba aminokwasów nie była tak duża jak dziś i raczej nie pozwalała na budowanie z tych cegiełek ogromnych funkcjonalnych białek, z jakimi mamy do czynienia obecnie.

W kwestii tłumaczenia początków życia nauka zabrnęła więc w kozi róg i tkwiła w nim dość długo, bezskutecznie borykając się z tym białkowo-nukleinowym dylematem. Aż w końcu w latach osiemdziesiątych poprzedniego wieku dostrzeżono jeden bardzo istotny szczegół. Mianowicie wykazano, że… 

RNA ma właściwości katalityczne

Brzmi tajemniczo, wiem. Już tłumaczę. Dowiedziono, że RNA, oprócz – jak przypuszczano dotąd – posiadania wyłącznie funkcji związanej z zapisem informacji, może także tę informację wykonywać. RNA potrafi na przykład przecinać własne lub inne cząsteczki w dokładnie określonych miejscach lub katalizować reakcję łącznia się aminokwasów przy tworzeniu białek. Wykazano także, że jest w stanie syntetyzować nowe RNA i replikować to, które już istnieje. Jest więc jednocześnie i tym elementem, który niesie instrukcję, i tym, który potrafi ją wykonać! 

I tak powstał świat RNA

W warunkach które panowały na Ziemi jakieś 3 miliardy (?) lat temu możliwe było samorzutne powstawanie takich cząsteczek jak RNA. Spośród nich jedne były mniej, a inne bardziej wydajne w katalizowaniu własnego powielania, a to wystarczyło, by stworzyć między nimi coś w rodzaju konkurencji prowadzącej do tego, że z czasem kodowane były coraz bardziej złożone i wydajniej pracujące cząstki.

tumblr_nkebcyy8j11qfirfao1_r1_1280

Jedna z hipotez dotyczących późniejszej ewolucji tego systemu mówi, że RNA – jako cząsteczka dość niestabilna – łączyła się z peptydami, które stabilizowały jej strukturę. Z czasem peptydy przejęły funkcję enzymów, bo po prostu wykonywały ją skuteczniej, a równolegle z tym procesem następowało wzmaganie nacisku na to, by informację genetyczną (coraz bardziej złożoną i wymagającą coraz bardziej wyrafinowanego nośnika) przenosić na stabilny i mniej wrażliwy na niszczące czynniki środowiskowe DNA. Naturalną koleją rzeczy było więc to, że RNA stało się czymś w rodzaju pośrednika między DNA i białkiem. I to mniej więcej na tym etapie życie znajduje się obecnie.

Czyli o powstaniu życia wiemy już… wszystko?

A skąd! Hipoteza świata RNA jest tylko jedną z wielu propozycji. Jest ona wprawdzie uznawana dość powszechnie za najbardziej prawdopodobny model wydarzeń, ale absolutnie nie przesądza to o jej prawdziwości.

Poza samymi rozważaniami o początkach życia, pozostaje jeszcze mnóstwo innych pytań. Czy życie powstało tylko raz? Jest przecież możliwe, że obiekty żywe powstawały wielokrotnie, ale konkurencję między nimi przetrwał ostatecznie tylko tzw. LUCA (ang. last universal common ancestor, czyli ostatni uniwersalny wspólny przodek). LUCA jest organizmem, od którego wszyscy – i my, i małpy, i bakterie, i chwasty, i każde inne żyjące obecnie stworzenia – pochodzimy. Jest jednak dość odległy ewolucyjnie od pierwszych form życia opartych na samym RNA. LUCA miał już budowę komórkową, prawdopodobnie opierał swój metabolizm na DNA i produkował białka, wykorzystując do tego kod genetyczny. Co działo się w okresie od powstania świata RNA do powstania LUCA? Czy życie powstało w gorącej wodzie ówczesnych oceanów, czy może na powierzchni skał pełnych związków siarki i żelaza? Skąd wziął się i jak ewoluował kod genetyczny? Czy uda się kiedyś odtworzyć w warunkach laboratoryjnych powstanie żyjącego układu cząsteczek?

Wszystkie te pytania stanowią jedynie czubek góry lodowej niewiadomych i wysoce prawdopodobnym jest, że jednoznacznej odpowiedzi na nie nie uda nam się uzyskać nigdy. Póki co tajemnicą pozostaje zatem nie tylko to, jak żyć, ale również to, skąd to życie wytrzasnąć.

Buzi!