Naukowcy powtórzyli eksperyment, który pokazał, jak mogło powstać życie na Ziemi. Odkryli nową możliwość.

Zdjęcie: DrPixel/getty images

„To żyje! TO ŻYJE!”

W filmie „Frankenstein” z 1931 roku, dr Henry Frankenstein ogłaszający swój triumf
był elektryzującym momentem na wiele sposobów. Gdy potężne błyskawice i
energia trzaskały, Frankenstein poruszył się na stole laboratoryjnym, a jego zwłoki
ożyły dzięki mocy elektryczności. Energia elektryczna mogła również
zapoczątkować początki życia na Ziemi miliardy lat temu, choć z nieco mniejszą
scenografią niż ta klasyczna scena filmowa. Ziemia ma około 4,5 miliarda lat, a
najstarsze dowody w postaci skamielin starożytnego życia - stromatolity lub
mikroskopijne organizmy zachowane w warstwach znanych jako maty
mikrobiologiczne - mają około 3,5 miliarda lat. Jednak niektórzy naukowcy
podejrzewają, że życie powstało jeszcze wcześniej, wyłaniając się z
nagromadzonych cząsteczek organicznych w prymitywnych zbiornikach wodnych,
mieszaniny czasami określanej jako „pierwotna zupa”. Ale skąd w ogóle wziął się ten
materiał organiczny? Naukowcy kilkadziesiąt lat temu zaproponowali, że piorun
spowodował reakcje chemiczne w starożytnych oceanach Ziemi i spontanicznie
wytworzył cząsteczki organiczne. Teraz nowe badania opublikowane 14 marca w
czasopiśmie Science Advances sugerują, że fizzy (bąbelki dwutlenku węgla) ledwo
widocznego „mikrolightningu”, generowane między naładowanymi kroplami mgły
wodnej, mogły być wystarczająco silne, aby ugotować aminokwasy z materiału
nieorganicznego. Aminokwasy - cząsteczki organiczne, które łączą się w białka - są
najbardziej podstawowym budulcem życia i byłyby pierwszym krokiem w kierunku
ewolucji życia. „Uznaje się, że energiczny katalizator był prawdopodobnie wymagany
do ułatwienia niektórych reakcji na wczesnej Ziemi, które doprowadziły do powstania
życia” - powiedziała astrobiolog i geobiolog dr Amy J. Williams, profesor
nadzwyczajna na wydziale nauk geologicznych na Uniwersytecie Florydy. Aby mogły
powstać aminokwasy, potrzebne są atomy azotu, które mogą łączyć się z węglem.
Uwolnienie atomów z gazowego azotu wymaga zerwania silnych wiązań
molekularnych i wymaga ogromnej ilości energii, według Williams, która nie była
zaangażowana w badania. „Błyskawica, a w tym przypadku mikropiorun, ma
energię do zerwania wiązań molekularnych, a tym samym ułatwia generowanie
nowych cząsteczek, które mają kluczowe znaczenie dla powstania życia na Ziemi” -
powiedziała Williams w e-mailu do CNN.

Mgła i mikropioruny
Aby odtworzyć scenariusz, w którym mogły powstać pierwsze cząsteczki organiczne
na Ziemi, naukowcy oparli się na eksperymentach z 1953 roku, kiedy to
amerykańscy chemicy Stanley Miller i Harold Urey stworzyli mieszaninę gazów
naśladującą atmosferę starożytnej Ziemi. Miller i Urey połączyli amoniak (NH3),

metan (CH4), wodór (H2) i wodę, zamknęli swoją „atmosferę” w szklanej kuli i
pobudzili ją elektrycznością, wytwarzając proste aminokwasy zawierające węgiel i
azot. Eksperyment Millera-Ureya, dziś powszechnie znany, wsparł naukową teorię
abiogenezy – że życie może powstać z materii nieożywionej. W nowym badaniu
naukowcy powrócili do eksperymentów z 1953 roku, ale skierowali swoją uwagę na
aktywność elektryczną na mniejszą skalę, powiedział starszy autor badania dr
Richard Zare, profesor nauk przyrodniczych Marguerite Blake Wilbur i profesor
chemii na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. Zare i jego współpracownicy
przyjrzeli się wymianie energii elektrycznej między naładowanymi kropelkami wody o
średnicy od 1 mikrona do 20 mikronów. (Szerokość ludzkiego włosa wynosi 100
mikronów). „Duże kropelki są naładowane dodatnio. Małe kropelki są naładowane
ujemnie” - powiedział Zare w wywiadzie dla CNN. „Kiedy kropelki o przeciwnych
ładunkach znajdują się blisko siebie, elektrony mogą przeskakiwać z ujemnie
naładowanej kropelki do dodatnio naładowanej kropelki”. Naukowcy zmieszali
amoniak, dwutlenek węgla, metan i azot w szklanej bańce, a następnie spryskali
gazy rozpyloną wodą, wykorzystując szybką kamerę do uchwycenia słabych błysków
mikroświatła w oparach. Kiedy zbadali zawartość bańki, znaleźli cząsteczki
organiczne z wiązaniami węgiel-azot. Obejmowały one aminokwas glicynę i uracyl,
zasadę nukleotydową w RNA. „Nie odkryliśmy żadnej nowej chemii; w
rzeczywistości odtworzyliśmy całą chemię, którą Miller i Urey zrobili w 1953 roku” -
powiedział Zare. Dodał również, że zespół nie odkrył nowej fizyki - eksperymenty
opierały się na znanych zasadach elektrostatyki. „Po raz pierwszy
zaobserwowaliśmy, że małe kropelki, gdy powstają z wody, faktycznie emitują
światło i wytwarzają iskrę” - powiedział Zare. „To nowość. I ta iskra powoduje
wszelkiego rodzaju przemiany chemiczne”.

Woda i życie
Błyskawice są dramatycznym pokazem mocy elektrycznej, ale są również
sporadyczne i nieprzewidywalne. Nawet na niestabilnej Ziemi miliardy lat temu,
błyskawice mogły być zbyt rzadkie, aby wytworzyć aminokwasy w ilościach
wystarczających do życia - fakt, który w przeszłości podawał w wątpliwość takie
teorie, powiedział Zare. Rozpylona woda byłaby jednak bardziej powszechna niż
błyskawice. Bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest to, że generowane przez
mgłę mikropioruny nieustannie wyrzucały aminokwasy z basenów i kałuż, gdzie
cząsteczki mogły się gromadzić i tworzyć bardziej złożone cząsteczki, ostatecznie
prowadząc do ewolucji życia. Dodał jednak, że nawet w przypadku nowych odkryć
dotyczących mikropiorunów, pozostają pytania dotyczące pochodzenia życia.
Podczas gdy niektórzy naukowcy popierają koncepcję elektrycznie naładowanych
początków najwcześniejszych elementów budulcowych życia, alternatywna hipoteza
abiogenezy sugeruje, że pierwsze aminokwasy na Ziemi zostały ugotowane wokół
otworów hydrotermalnych na dnie morskim, wytworzonych przez połączenie wody
morskiej, płynów bogatych w wodór i ekstremalnego ciśnienia. Jeszcze inna
hipoteza sugeruje, że cząsteczki organiczne w ogóle nie powstały na Ziemi.

Powstały one raczej w przestrzeni kosmicznej i zostały przeniesione tutaj przez
komety lub fragmenty asteroid, proces znany jako panspermia. „Nadal nie znamy
odpowiedzi na to pytanie” - powiedział Zare. „Ale myślę, że jesteśmy bliżej
zrozumienia czegoś więcej na temat tego, co mogło się wydarzyć”. Chociaż
szczegóły powstania życia na Ziemi mogą nigdy nie zostać w pełni wyjaśnione, „to
badanie zapewnia kolejną drogę do tworzenia cząsteczek kluczowych dla powstania
życia” - powiedział Williams. „Woda jest wszechobecnym aspektem naszego świata,
co dało początek przydomkowi 'Błękitny Marmur' opisującemu Ziemię z kosmosu.
Być może opadanie wody, najważniejszego elementu, który nas utrzymuje, również
odegrało większą rolę w powstaniu życia na Ziemi, niż wcześniej zdawaliśmy sobie
sprawę”.