Nowy ranking kolebek życia

Ciąg reakcji chemicznych może doprowadzić do narodzin życia tylko wtedy, gdy zachodzi w odpowiednich warunkach. W pracy opublikowanej w czasopiśmie „Origins of Life and Evolution of Biospheres” prof. dr hab. Zbigniew Zagórski z Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie przedstawia propozycję nowego rankingu miejsc na wczesnej Ziemi – najbardziej prawdopodobnych kolebek życia.

Współczesna nauka rozumie wiele mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie związków prebiotycznych oraz ewolucję już istniejących organizmów. Intrygującym problemem pozostaje wyjaśnienie samego momentu narodzin życia na naszej planecie. Prebiotyczną chemię młodej Ziemi można zilustrować za pomocą analogii informatycznej. Reakcje chemiczne prowadzące do powstania RNA są wówczas odpowiednikiem software'u, który by działał, musi być realizowany przez właściwy hardware. – Sam ciąg reakcji chemicznych nie wystarczy do narodzin życia. Miejsce, w którym zachodzą reakcje, odgrywa równie istotną rolę – mówi prof. Zbigniew Zagórski z Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie. W jednej z najnowszych prac prof. Zagórski zaproponował ranking miejsc naszej planety, gdzie przed miliardami lat mogło dojść do powstania pierwszych żyjących organizmów.
Już w 1952 roku Stanley Miller i Harold Urey z University of Chicago przeprowadzili eksperyment polegający na badaniu związków powstających podczas wyładowań elektrycznych w mieszaninie gazów odpowiadającej przypuszczalnej atmosferze pierwotnej Ziemi. Zarówno w tym doświadczeniu, jak i w wielu innych, otrzymano aminokwasy. Życie na Ziemi wykorzystuje jednak wyłącznie te aminokwasy, które skręcają w lewo płaszczyznę polaryzacji przechodzącego przez nie światła. Tymczasem w doświadczeniach związki lewo- i prawoskrętne zawsze pojawiały się w równych proporcjach. Z takiej mieszaniny nie można wytworzyć peptydów, będących kolejnym etapem w procesie powstawania życia.
– Problem z dotychczasowymi eksperymentami polega na tym, że są one prowadzane w warunkach laboratoryjnych, a więc z pewnością innych niż te występujące na Ziemi w chwilach bezpośrednio poprzedzających narodziny życia – mówi prof. Zagórski. W pracowniach chemicznych trudno na przykład badać efekty tysięcy następujących po sobie, cyklicznych reakcji chemicznych oraz wpływu milionów lat na odkładające się produkty pierwotnych reakcji. Niewiele wiadomo o innych czynnikach, np. o widmie światła emitowanego przez młode Słońce ani o tym, w jaki sposób było ono filtrowane przez pierwotną atmosferę naszej planety. Tymczasem promieniowanie słoneczne przy powierzchni prawdopodobnie odgrywało ważną rolę w przebiegu zachodzących reakcji – i z pewnością nie było jedynym istotnym czynnikiem.
W opracowaniu Ranking of Sites on Early Earth as Cradles for Life, właśnie opublikowanym w czasopiśmie „Origins of Life and Evolution of Biospheres”, prof. Zagórski zestawia warunki i miejsca na wczesnej Ziemi, obecnie rozważane jako najbardziej korzystne dla powstania życia. Wszystkie wymienione elementy, poniżej uszeregowane w kolejności od najistotniejszych, mogą zwiększać prawdopodobieństwo narodzin pierwotnego życia.
Za najważniejsze warunki w rankingu uznano powierzchnię lądu, pokrytą w istotnej części oceanami o ciągle zmieniającej się zawartości minerałów i oddziałującą z reaktywną atmosferą, w której zachodzą wyładowania elektryczne o różnej energii i intensywności. Ruch lądów sprzyjałby powstawaniu nisz i zjawisk geochemicznych prowadzących do formowania nowych minerałów i struktur, a wytwarzane przez młode Słońce promieniowanie widzialne i ultrafioletowe wzbudzałoby związki chemiczne zawierające odpowiednie chromatofory. W płytkich zbiornikach wodnych zachodziłyby efekty fotochemiczne i nieustanna wymiana produktów, w tym skumulowanych w starszych warstwach osadów.
Wśród czynników przyjaznych narodzinom życia w rankingu wymieniono także obecność znacznie bardziej intensywnych niż dzisiejsze źródeł energii dla reakcji chemicznych, takich jak izotopy promieniotwórcze. Rolę mogły odgrywać również warstwowe gliny z nanoniszami dla reakcji chemicznych wspomaganych procesami dyfuzji i katalizy. Na kolejnych miejscach znalazła się intensywna aktywność wulkaniczna na lądzie, dostarczająca nowe związki organiczne pobliskim zbiornikom wodnym; sporadyczne zderzenia z meteorami i planetoidami jako źródło  egzotycznych związków chemicznych; dna oceanów, gdzie różnice temperatur wokół wylotów hydrotermalnych prowadzą do ukształtowania stref różnej chemii. Czynnikami o względnie małym znaczeniu wydają się duże zmiany temperatur (od punktu zamarzania wody do temperatury wrzenia) i zmiany klimatyczne z rytmami dobowym i sezonowym, a także bardziej intensywne niż dzisiaj pływy morskie i oceaniczne związane z mniejszą odległością Księżyca od Ziemi, zmieniające linię brzegową i umożliwiające morskiej wodzie docieranie do nisz na lądzie.
W zaproponowanym rankingu zaskakująco niską pozycję zajmują jedni z dotychczasowych faworytów: wyloty kominów hydrotermalnych na dnie oceanicznym. Przyczyna leży w charakterze ich otoczenia. Powstające związki chemiczne szybko rozproszą się w oceanie, co oznacza, że nie będą brały udziału w kolejnych cyklach zachodzących reakcji. Wydaje się więc, że stworzenia znajdowane obecnie w pobliżu kominów hydrotermalnych nie powstały w ich otoczeniu, lecz są wynikiem adaptacji do napotkanych warunków przez organizmy wykształcone w innych, zapewne odległych i istotnie różnych środowiskach.
Na całym świecie są prowadzone rozległe badania nad powstaniem życia. Paradoksalnie, nie zbliża to nauki do wyjaśnienia zagadki, ponieważ kolejne z proponowanych koncepcji jego narodzin są z upływem czasu odrzucane. Najtrudniejszym zagadnieniem pozostaje wytłumaczenie procesu tworzenia się związków o jednakowej asymetryczności – mechanizmu, którego obecnie nie udaje się odtworzyć w laboratoriach. Opisana publikacja jest kontynuacją głównej pracy prof. Zagórskiego: obszernego, 57-stronicowego rozdziału o roli chemii radiacyjnej w pochodzeniu życia, zamieszczonego w monografii wydanej przez American Scientific Publishers w roku 2010 i nagrodzonego pierwszą nagrodą indywidualną na tegorocznym zjeździe Polskiego Towarzystwa Badań Radiacyjnych.

Źródło: IChITJ