În căutarea rețetei pentru apariţia vieții pe Pământ Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Trei factori cheie au fost necesari pentru ca viața să se dezvolte pe Pământ – însă care dintre ei a fost primul? Cercetări recente ar putea ajuta la rezolvarea dilemei.

Opriţi-vă o clipă pentru a cântări la modul cel mai subiectiv: gândiţi-vă la ochii cu care citiţi aceste rânduri, la creierul care absoarbe informaţia, și la corpul care conține și alimentează aceste organe. Întrebați-vă: cum a devenit atât de complexă această mașină biochimică? Este o întrebare profundă, care îi animă de secole pe oamenii de știință. Charles Darwin i-a răspuns parțial cu teoria evoluției sale, detaliind despre modul în care fiecare specie a apărut dintr-una anterioară.

Dacă urmăriți evoluția destul de departe în urmă, veţi înţelege că trebuie să fi existat o perioadă în care au apărut celulele pentru prima oară – originea vieții, în urmă cu peste 4 miliarde de ani. Astăzi, cercetătorii încearcă să rezolve puzzle-ul referitor la cum s-a întâmplat exact acest lucru, dar, fiind vorba de o perioadă foarte îndepărată, sarcina le este foarte dificilă.

Artwork depicting the formation of protocells in the early history of life on Earth
Ilustraţie reprezentând formarea protocelulelor în istoria timpurie a vieții pe Pământ.
Richard Bizley/Science Photo Library
 

Prin compararea formelor de viață moderne de pe Pământ se obţine un argument puternic privind originea vieții. Noi, oamenii, suntem mai asemănători cu copacii, cu insectele, cu bacteriile și cu toate celelalte forme vii decât poate părea la prima vedere, şi anume în trei aspecte importante. În primul rând, toate speciile folosesc molecule similare pentru a transmite informații genetice: acidul ribonucleic (ARN) și acidul dezoxiribonucleic (ADN). În al doilea rând, celulele diferitelor specii arată aproximativ similar – chiar și organismele unicelulare au caracteristici comune cu celulele organismelor mai mari. Și, în al treilea rând, modul în care toate celulele obțin energia de care au nevoie pentru procesele lor biochimice prin metabolism este foarte asemănător. Acest argument duce la ideea că trei factori cheie au fost necesari pentru ca viața să se dezvolte pe Pământ: acizii nucleici (ARN și/sau ADN); o membrană, un compartiment sau un fel de recipient pentru conținutul celulei; și metabolismul.

Cercetătorii furnizează permanent idei noi cu privire la modul în care ar fi putut să apară viața, dar un motiv importantă de dispută între ei a fost întrebarea care dintre cei trei factori cheie au apărut în primul. Însă recent a apărut o idee nouă, care ar putea soluționa această dispută: ce se întâmplă dacă toate trei apar în același timp?

Experimente timpurii pe Pământ

Știm de ceva vreme că moleculele organice pot fi produse în condiții asemătoare celor care s-ar fi găsit la începuturi pe Pământ. Cel mai cunoscut prim pas în înțelegerea modului în care a apărut viața este experimentul lui Stanley Miller și Harold Urey din 1952 (Miller, 1953). Trimiterea de scântei electrice către baloane care conțin apă, amoniac, metan și hidrogen a produs anumite substanțe organice, inclusiv aminoacizi. Totuşi, experimentul a eşuat în a explica multe aspecte ale apariției vieții, deoarece nu a produs alte molecule biologice importante, precum acizii nucleici.

Illustration of Miller and Urey’s 1952 experimental setup
Ilustrare a configurației experimentale a lui Miller și Urey din 1952
Nicola Graf
Electrode: Electrod;
Condenser: Condensator (refrigerator);
Cold water: Apă rece;
Cooled water containing organic compounds: Apă răcită conținând compuși organici;
Sample for chemical analysis: Eșantion pentru analiză chimică;
Water vapour: Vapori de apă

La începutul anilor 1980, Tom Cech și Sidney Altman au descoperit enzimele făcute din ARN, numite ribozime, descoperire pentru care aveau să primească premiul Nobel în 1989. Deoarece ARN-ul poate codifica informația genetică și ribozimele o pot manipula, oamenii de știință au sugerat că ARN-ul a fost responsabil de apariţia vieții de unul singur, înainte ca ceilalți factori să existe. Această idee este cunoscută ca ipoteza ‘ARN-ul prim’.

John Sutherland, care acum lucrează la Medical Research Council (MRC) din cadrul Laboratorului de Biologie Moleculară din Cambridge, Marea Britanie, este printre cei care au găsit dovezi care aparent susțin ipoteza ARN-ului prim. În 2009, echipa sa a arătat cum se poate forma un ribonucleotid în condiții similare celor care ar fi putut exista pe Pământul timpuriu (Powner et al., 2009).

Echipa lui Sutherland a căutat apoi o modalitate mai bună de a face zaharuri ribozice. Cercetătorii au arătat că pot fi făcute din formaldehidă, dar această cale a fost „prea dezordonată și dificilă”, după cum observa Sutherland. Echipa sa a explorat o cale alternativă folosind doar cianură de hidrogen, sulfură de hidrogen și lumină ultravioletă. Şi astfel, pe lângă faptul că au făcut zaharuri ribozice, au produs peste 50 de molecule diferite, inclusiv unele ce ar putea ajuta la formarea de aminoacizi – care pot să se adune pentru a crea proteinele ce formează structura fizică și mecanismul enzimatic al celulelor vii. Combinarea de zaharuri și de aminoacizi este un pas important, deoarece celulele de astăzi descompun zaharurile prin metabolism pentru a obține energia de care au nevoie (Ritson & Sutherland, 2013).

În 2015, echipa MRC a arătat că același sistem chimic conduce la obţinerea de molecule grase care pot forma pereții exteriori ai celulelor, definindu-le forma (Patel et al., 2015). Iar sistemul are asemănări cu metabolismul însuși. „Consumă molecule mici și face molecule mai mari”, spune Sutherland. „Ceea ce sugerează că toate subsistemele ar fi putut apărea în același timp.”

Plecând de la acest fapt, Sutherland și colegii săi au publicat un studiu în 2019 care sugerează că ARN-ul și ADN-ul ar fi putut apărea în același timp, provocând astfel și mai mult ipoteza ARN-ului prim (Xu et al., 2019).

Artwork showing an evolving protocell. Fatty acids (blue molecules with spherical heads) form an outer membrane
Ilustraţie reprezentând o protocelulă în evoluție. Acizii grași (moleculele albastre cu capete sferice) formează o membrană exterioară.
 Henning Dalhoff/Science Photo Library

Locuri de origine

La fel ca Sutherland, Frances Westall, de la Centrul de Biofizică Moleculară din Orléans, Franța, consideră că cei trei factori cheie ai vieții au avut şansa să apară în același timp. Opinia ei este că reacțiile responsabile ar fi avut loc pe suprafețele mineralelor. Chimiștii din grupul ei vorbesc despre o ‘protocelulă’, cu mecanisme metabolice și ARN conținute într-un mic buzunar mineral. În cele din urmă, moleculele de lipide ar fi format un perete exterior înăuntrul acelui buzunar, dând celulelor forma pe care o recunoaștem astăzi. „În funcție de mediu”, spune Westall, „concentrațiile de lipide, proteine și ARN din matricele minerale poroase s-ar fi putut reuni pentru a forma o celulă cu o membrană.”

Atât Westall cât și alți cercetători caută locația în care a apărut viața, studiind porii minerali din adâncuri, acolo unde marea expulzează fluid alcalin cald. Echipa ei a găsit exemple posibile în roci din Africa de Sud (Westall et al., 2018). „Chiar dacă temperaturile de la un astfel de orificiu pot depşi 300° C, deci mult prea fierbinți pentru a păstra proteinele și alte molecule esențiale, apa de mare externă are 2°C”, spune Westall. Însuşi gradientul de temperatură angrenează fluxul de apă care ajută la mișcarea compușilor, putând contribui și la furnizarea unei forțe motrice pentru metabolism. După cum explică Westall, „Orificiile de aerisire sunt pline de minerale reduse care pot fi oxidate pentru a furniza energie pentru reacții prebiotice, și de suprafețe pentru concentrarea de material organic, precum și diverse combinații și formațiuni structurale.” Alți cercetători au sugerat şi faptul că în astfel de medii ar fi putut să apară şi pompele cu ioni celulari – proteine care reglează (Lane & Martin, 2012).

Evidence of Earth’s earliest life forms has been found in hydrothermal vents
În orificiile hidrotermale au fost găsite dovezi despre cele mai vechi forme de viață de pe Pământ.
NOAA/Wikimedia Commons, public domain
 

Însă căutarea de locuri care să aibă chimia potrivită și energia benefice pentru metabolism și pentru formarea celulelor vizează şi locații precum zonele vulcanice de coastă, pontoanele pumice plutind pe ocean și gheizerele. O idee mai speculativă adaugă chiar şi meteoriții pe această listă: în 2014, roci din craterul Ries din sudul Germaniei (crater având diametrul de 24 km), care s-a format dintr-un impact de meteorit în urmă cu aproximativ 14,6 milioane de ani, conțin formațiuni microscopice tubulare (tubule), capabile de activitate biologică (Sapers et al., 2014). Tubulele sunt similare cu urmele fosile de microbi care se găsesc în sticla vulcanică, ceea ce sugerează că apa care circulă în interiorul rocilor ar fi permis microbilor să le colonizeze. Prin urmare, unii cercetători au sugerat că tubule similare, formate cu miliarde de ani mai devreme prin impactul meteoritelor, ar fi putut oferi un habitat viabil pentru primele forme de viață.

Ştiinţă neobişnuită

Westall compară combinarea diferitelor elemente necesare la originea vieții cu dezvoltarea rețetelor de gătit. „Dacă doriți să obțineți prăjitura perfectă, trebuie să utilizați exact cantitatea potrivită de ingrediente specifice, dar și temperatura și timpul de gătire potrivite”, spune ea. „Pe de altă parte, dacă doriți să experimentați, atunci schimbați ingredientele, cantitățile, temperatura și timpul – și vedeți ce iese.”

Westall consideră că ideea simultaneităţii celor trei factori critici pentru apariţia vieții necesită ceva mai mult decât o a doua abordare, și că aceasta ar fi un tip de știință mai neobișnuit. „Încercarea de a face experimentele într-un scenariu realist, în care introduci toate ingredientele într-un context care nu poate fi controlat, dar care rulează de la sine, este într-adevăr înfricoșătoare pentru chimiști”, spune ea. „Dacă se întâmplă ceva interesant, este mai dificil să descopărim ce și de ce. Dar aceasta este calea de urmat de acum.”

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Andy Extance este scriitor de știință şi locuieşte în Exeter, Marea Britanie. Scrisul său explorează tot ce ține de chimie, de la mediul planetei Pământ şi până la spațiu, de la alimente la fuziune nucleară, și de la celulele solare până la modul în care mirosim.


Review

În aproape toate manualele școlare, în cadrul secțiunii care tratează originile vieții, referințele sunt limitate la celebrul experiment al lui Stanley Miller și Harold Urey din 1952. Însă de atunci s-au făcut mai multe experimente, și este sigur că problema originii vieții va provoca mult timp comunitatea științifică.

Acest articol, explorând mai multe teorii despre originea vieții, poate fi folosit într-o varietate de moduri – fie ca exemplu al modului în care știința evoluează în timp ce întrebările de bază rămân, fie pentru teoriile științifice legate de materia vie. Lectura va fi o călătorie în timp, în spațiu și în lumea marilor întrebări ale ştiinţei.

Întrebările de aprofundare ar putea include:

  • Când se crede că a apărut viața pe Pământ?
  • Care sunt cei trei factori despre care se crede că sunt fundamentali pentru apariția vieții?

Panagiotis K Stasinakis, profesor de biologie și șef al Centrului de Cercetare a Științelor Naturii (EKFE) din Ampelokipoi, Grecia




License

CC-BY