Życie z probówki

Powstanie najprostszych form życia na Ziemi to proces, który trwał miliony lat. W warunkach laboratoryjnych można by go znacznie przyspieszyć. Ciągle jeszcze nie wiemy, jak tego dokonać, ale to nie znaczy, że nie próbujemy

Spoglądając na fotografię zasępionego oblicza Conrada Heyera, aż trudno uwierzyć, że ów mężczyzna na własnej skórze doświadczył wojny o niepodległość Stanów Zjednoczonych, o rewolucji francuskiej z pewnością czytał na bieżąco w gazetach, a niewykluczone, że jego ciekawość budziły także kolejne etapy upadku państwa polskiego.

Heyer jest uznawany za najstarszego człowieka w historii, którego sfotografowano. Na zdjęciu z 1852 r. był już staruszkiem. Miał 103 lata. Ale jest jeszcze jedna rzecz, w którą osobie żyjącej w XXI w. jest trudno uwierzyć. Heyer, podobnie jak jego współcześni (o ile w ogóle się nad tym zastanawiał), był przekonany, że żywe organizmy mogą spontanicznie pojawiać się w przyrodzie, nie poprzez rozmnażanie, ale wyłaniając się z mieszanki materii nieożywionej.

Dopiero w drugiej połowie XIX w. ostatecznie dowiedziono, m.in. dzięki badaniom Ludwika Pasteura, że grzyby i bakterie nie tworzą się „z powietrza”.

Grzyby i bakterie były zresztą ostatnim bastionem przekonań o prawdziwości teorii abiogenezy, czyli tego, że życie może zrodzić się z czegoś nieożywionego. Wcześniejsze barykady pokonywane były sukcesywnie od połowy XVII w., w czym pomógł wynalazek mikroskopu. Ale minionym stuleciom towarzyszyło przekonanie, że nie tylko mikroorganizmy rodzą się z niczego. Podobnych mechanizmów dopatrywano się chociażby w pochodzeniu myszy, które rzekomo rodziły się z siana i brudu, a nawet krokodyli, którym przypisywano pochodzenie od gnijących na dnach zbiorników wodnych konarów.

Chemik kontra alchemik

W świecie przedoświeceniowym, gdy nauka często mieszała się z metafizyką, ówcześni mędrcy – alchemicy – wierząc w powszechną abiogenezę, próbowali odtworzyć ją w warunkach laboratoryjnych. Tym właśnie były usiłowania stworzenia legendarnych homunkulusów, czyli miniaturowych ludzi, z wykorzystaniem różnego rodzaju form nieożywionej materii organicznej.

Postępy nauki pozwoliły włożyć takie „badania” między bajki. Swoje zrobiła też teoria ewolucji, która sprawiła, że dziś zdajemy sobie sprawę ze wspólnego pochodzenia wszystkich organizmów żywych.

Skąd wzięło się życie?

Wszystko w przyrodzie ma swój początek i koniec. A więc w historii Ziemi był czas, kiedy życia na niej nie było i moment, w którym się ono pojawiło. W wyjaśnieniu tego fenomenu pomaga abiogeneza, choć rozumiana już inaczej – jako proces, kiedy na skutek kolejnych reakcji chemicznych zachodzących w przyrodzie pojawiły się takie związki, które posiadły zdolność do przetwarzania energii i replikowania się i od czasu do czasu zmieniania niektórych elementów. To właśnie jedna z ogólnie przyjętych definicji życia.

Współcześni naukowcy są zupełnie inni niż poprzednicy, mistyczni alchemicy, ale w chłodnej bieli laboratoriów ich głowy także zaprząta myśl – jak w na szkiełku czy w probówce odtworzyć mechanizmy, które przed miliardami lat rozpoczęły długą ewolucyjną drogę do rozumnych istot, za jakie się uważamy.

Jak wygrać w szachy?

Rozwiązanie zagadki powstania życia na Ziemi jest trochę jak odnalezienie klucza do zwycięstwa w grze. Najwygodniej byłoby, gdybyśmy mieli do czynienia z grą w kółko i krzyżyk. Wiemy dokładnie, ile jest kombinacji znaczków na planszy z dziewięcioma polami i zabawa nie ma tajemnic nawet dla nieznającego się na matematyce zawodnika.

Niestety, szukanie naszej odpowiedzi tak łatwe nie jest. Zadanie prędzej można by porównać do rozrywki szachowej. W tym przypadku nikt nie jest w stanie przewidzieć wszystkich kombinacji ruchów na planszy o wymiarach osiem na osiem pól. Przy partii obejmującej ok. 20 ruchów możliwości jest więcej niż atomów w całym wszechświecie, a najtęższym istniejącym komputerom rozpatrzenie takiego problemu zajęłoby wiele miliardów lat.

A jednak programy komputerowe wygrywają z ludźmi w szachy – nawet z mistrzami. Jak tego dokonują? Korzystają z gotowych danych, bazy rozegranych wcześniej partii, klasycznych taktyk itp.

I tak też wygląda poszukiwanie źródeł życia. Kombinacji reakcji chemicznych możliwych w pierwotnej „zupie”, dodając do tego zmienne warunki środowiskowe, jest przecież znacznie więcej niż na 64 polach szachownicy z 32 bierkami. Z tym problemem nie poradzą sobie żadne współczesne komputery. Naukowcy są więc skazani na dopasowywanie swoich teorii do już ułożonych puzzli, choć i one znajdują się tylko mniej więcej na swoim miejscu.

„Jedyne, co możemy, to stawić hipotezy, np. jak wyglądały te wczesne warunki na Ziemi. Niestety, nie mamy bezpośrednich dowodów, że one takie były” – tłumaczy dr Francisco Carrascoza z Politechniki Poznańskiej, członek zespołu zajmującego się poszukiwaniem źródeł życia, kierowanego przez prof. Jacka Błażewicza.

Dawno, dawno temu…

Ziemia jako glob ukształtowała się jakieś 4,5 mld lat temu. Najbardziej optymistyczne szacunki wskazują, że pierwsze formy życia pojawiły się ok. 400 mln lat później. Wszystko wokół wyglądało wówczas zupełnie inaczej. Nasza kosmiczna skała dopiero stygła, skład atmosfery był zupełnie inny, przede wszystkim nie było wolnego tlenu, który dopiero wiele milionów lat później na dobre zagościł w powietrzu dzięki fotosyntetyzującym organizmom, takim jak sinice.

Wiedza o warunkach panujących w tych zamierzchłych czasach pozwala naukowcom przewidywać, skąd np. brała się energia potrzebna do niektórych reakcji chemicznych i z jakimi przeciwnościami musiały się mierzyć tworzące się nowe cząsteczki.

Ta bombardowana przez meteoryty pra-Ziemia, nawiedzana erupcjami wszechobecnych wulkanów, stanowiła „pierwotną zupę” różnych substancji, z których krok po kroku kształtowało się to, co dziś nazywamy życiem.

Jak to możliwe, że z tej „pierwotnej zupy”, z przypadkowych prostych cząsteczek, powstały skomplikowane molekuły związków organicznych? Przecież jeśli wrzucamy do garnka warzywa, to choćby gotowały się miliardy lat, nie wyjdzie z tego surówka.

Warzywa jednak w porównaniu z pierwiastkami nie mają tendencji do łączenia się w gotowe dania – związki chemiczne. „Pierwotną zupę” można sobie wyobrazić raczej jako miskę mikroskopijnych magnesików, które się nawzajem przyciągają i zaczynają tworzyć skomplikowane struktury.

Kolejnym dużym kawałkiem układanki są owe magnesiki – związki chemiczne, o których wiemy, że istniały lub mogły istnieć, na Ziemi.

Naturalnym jest, że te cegiełki widzimy w związkach organicznych.

„Mamy jedynie poszlaki, które znajdujemy albo tu, albo na innych obiektach w kosmosie, np. na asteroidach” – tłumaczy dr Carrascoza.

Dlatego tak ważne z punktu widzenia poszukiwaczy źródeł życia na Ziemi są badania obiektów pozaziemskich, takich jak planetoidy czy komety. To pozostałości po czasach, gdy planety dopiero się kształtowały. Z takich skrawków kosmicznego gruzu zbieranych przez siłę grawitacji powstawały planety. Potem przez kolejne miliardy lat te zbłąkane skały bombardowały powierzchnie swoich większych towarzyszy na orbicie Słońca. I nadal bombardują, choć skutki nie są tak katastrofalne, ale za to malownicze i chętnie obserwowane przez nas podczas nocy spadających gwiazd.

Nie jest więc wykluczone, że substancje takie jak metan pojawiły się na Ziemi jako zrzut z kosmosu. Nawet jeśli tak jest, nie oznacza to, że – zgodnie z teorią panspermii – życie pochodzi z kosmosu, najwyżej jego najdrobniejsze cegiełki.

Przepis na życie

Ale poszlak szukać można także tu, na powierzchni Ziemi. Naukowcy dostarczają ich od dziesięcioleci. Jedną z najważniejszych było doświadczenie Stanleya Millera z 1953 r.

„To był kamień milowy. Miller jako pierwszy dowiódł, że z prostych gazów w zamkniętych naczyniu, dostarczając energii w postaci wyładowań elektrycznych, można wyprodukować związki organiczne. Oczywiście nie były to komórki czy jakieś istoty żywe. Eksperyment nie odpowiedział na pytanie, jak powstało życie, ale udowodnił, że na pytanie da się znaleźć odpowiedź” – opowiada dr Carrascoza.

Naśladowcy Millera stosują dziś coraz bardziej zaawansowane metody. Jednym z najbardziej nowoczesnych pod tym względem laboratoriów jest Planetary Simulator na kanadyjskim Uniwersytecie McMastera. Niewielka komora została stworzona tylko po to, by w jej wnętrzu odwzorowywać warunki panujące na wczesnej Ziemi.

Podobne badania prowadzone są też w środowisku wirtualnym. Służą do tego superkomputery – potężne maszyny obliczeniowe, które kubaturą przypominają giganty sprzed kilkudziesięciu lat, ale mocą obliczeniową wyprzedają je o lata świetlne.

Do pamięci takiego superkomputera wprowadza się algorytm stanowiący coś na kształt filmowego matrixa dla związków chemicznych. Zespół, którego członkiem jest dr Francisco Carrascoza, zajmuje się właśnie takimi symulacjami.

„To, czym się zajmuję, to próba wywołania reakcji chemicznych z bardzo prostych substancji i sprawdzenie, czy produktem tych reakcji są molekuły o istotnym z biologicznego punktu widzenia znaczeniu” – tłumaczy ekspert. „Może będzie to w ostatecznym rozrachunku RNA, może proteiny, może aminokwasy” – dodaje.

Odnalezienie tego fragmentu układanki może pomóc rozstrzygnąć debatę trwającą w gronie badaczy genezy życia.

„Są dwie główne teorie w tym zakresie, bo nikt dotąd nie wie na pewno, co powstało w wyniku tych pierwotnych reakcji chemicznych. Albo były to aminokwasy, albo RNA. Dyskusja przypomina nieco rozważania, co było pierwsze: jajko czy kura?” – zaznacza Carrascoza.

„Zarówno RNA, jak i proteiny to naprawdę duże cząsteczki. Ale są złożone z mniejszych kawałków. Tymi cegiełkami są odpowiednio zasady azotowe nukleotydów dla RNA i aminokwasy dla białek. Ale i one są złożone z jeszcze mniejszych cegiełek – atomów. Zasada azotowa, taka jak adenina, jest złożona z azotu węgla i wodoru” – tłumaczy naukowiec.

„Ja zajmuję się tymi najmniejszymi cegiełkami. Na przykład tym, jakie zachodzą reakcje chemiczne w mieszaninach prostych gazów. Celem jest zbadanie, czy z takich reakcji powstaną aminokwasy, czy zasady azotowe” – dodaje.

I to właśnie może rozstrzygnąć „jajeczny dylemat”.

DNA jak drukarka

Dla laików istotny jest inny dylemat – po co właściwie nam ta wiedza, oczywiście poza chęcią zaspokojenia wrodzonej ludzkiej ciekawości?

Łatwiej to zrozumieć, jeśli spojrzymy na żywe komórki jak na miniaturowe drukarki 3D, których głównym celem jest produkcja kolejnych drukarek. Wyobraźmy sobie, że nie słyszeliśmy wcześniej o takich urządzeniach i nagle znajdujemy taką drukarkę. Nie wiemy, w jaki sposób działa, jak została zbudowana, z czego, jakich narzędzi użyto do jej skonstruowania itp. Widzimy tylko, jaka jest. Ale domyślamy się, że skoro produkuje nowe drukarki, to mogłaby wyprodukować też coś innego – od breloczka po protezy kończyn.

Trzeba ją tylko odpowiednio zaprogramować i dostarczyć odpowiednich materiałów. Ale nie zrobimy tego bez poznania odpowiedzi na pytania o proces powstania takiej drukarki.

I podobnie jest z komórkami. To mikrofabryki, które moglibyśmy teoretycznie namówić do produkcji czegoś zupełnie innego. Takie próby są już realizowane.

„Niektóre z nich są niezwykle ważne i ciekawe. Instytut Craiga Ventera podjął prace nad uzyskaniem komórki półsyntetycznej z wykorzystaniem naturalnych elementów komórkowych, która mogłaby wiązać dwutlenek węgla z powietrza i przekształcać go w gaz energetyczny – metan. Gdyby zamierzenia te powiodły się, byłaby to ważna próba zmniejszenia efektu cieplarnianego” – pisał polski biochemik prof. Andrzej Legocki w artykule „Naukowe definicje życia”.

To jedno z wielu potencjalnych zastosowań nabytej w zamierzchłej przeszłości wiedzy, która wkrótce może otworzyć nam wrota do zupełnie fantastycznej przyszłości.