Jak powstało życie na ziemi? Kluczowe mogły być szczeliny

Ilustracja pokazująca jak ciepło mogło przepływać poprzez podziemne sieci połączonych ze sobą szczelin geologicznych, czego efektem było powstanie złożonych związków chemicznych niezbędnych do zapoczątkowania życia na młodej Ziemi. Zdjęcie: Christof B. Mast

Wyniki tego eksperymentu niemal natychmiast stały się sławne. Otóż z tej pierwotnej zupy wyłoniły się aminokwasy – chemiczny budulec życia. Odkrycie to zapoczątkowało misję w środowiskach chemii oraz biologii, aby zaprojektować więcej eksperymentów, które pomogłyby znaleźć odpowiedź na jedno z największych naukowych pytań stojących przed ludzkością: Jak zaczęło się życie na Ziemi?  

Obecnie, badacze z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium poczynili ekscytujące postępy w kierunku znalezienia na nie odpowiedzi. Przedstawili oni bowiem sposób, w jaki bardziej złożone cząsteczki, kluczowe do powstania życia, mogły zostać zsyntetyzowane z podstawowych składników, z jakich składała się wczesna Ziemia. W tym badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Nature, naukowcy zastąpili probówki maleńkimi sieciami rozgałęziających się szczelin, przypominających te, które naturalnie tworzą się w skałach. Przez szczeliny przepuszczono wodę wraz z podstawowymi związkami chemicznymi, a następnie zastosowano ciepło, naśladując proces podobny do tego, który może zachodzić w pobliżu kominów hydrotermalnych w oceanach lub w porowatych skałach w pobliżu basenów geotermalnych.

Okazało się, że ciepło, oddziałując na te sieci geologiczne, sortuje i filtruje cząsteczki, pomagając im tworzyć dłuższe łańcuchy zwane biopolimerami, które są niezbędne do wytworzenia życia.

„To świetnie pokazuje, że takie proste procesy fizyczne są w stanie zdziałać takie cuda” – mówi Matthew Pasek, profesor geologii na Uniwersytecie Południowej Florydy, który nie był zaangażowany w badania.  

Rozcieńczona zupa prebiotyczna

Jako że geneza życia jest jedną z największych zagadek ludzkości, wykracza ona poza tradycyjne granice dzielące naukę na wiele oddzielnych dyscyplin. Dlatego też wśród tych, którzy chcą znaleźć odpowiedź na to trapiące naukę pytanie, znajdują się zarówno chemicy i biolodzy, jak i astrofizycy czy geolodzy. Niwelowanie tych granic szczególnie zainteresowało Christofa Masta, biofizyka z Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium, którego laboratorium zaprojektowało eksperymentalną aranżację, która symulowałaby nieco dokładniej warunki, w których miała miejsce „chemia prebiotyczna”, która dała początek życiu.

Przez dziesięciolecia naukowcy zmagali się z problematyczną kwestią – tym, że wczesna Ziemia nie była nieskazitelnym laboratorium, ze zlewkami, idealnie zaplanowanymi etapami oczyszczania i skoncentrowanymi zapasami składników. Odtworzenie chemii życia w warunkach laboratoryjnych to jedno, ale eksperymenty, które wychodzą w kolbie, mogą być w najlepszym razie nieprawdopodobne w nieprzewidywalnych warunkach rzeczywistych. 

„Pomyślcie o Ziemi przed powstaniem życia jako o takiej prebiotycznej zupie, która jest bardzo rozcieńczona i w której wiele różnych elementów niekontrolowanie ze sobą reaguje” – mówi Mast. Jednym z problemów z jakimi zmaga się dzisiejsza nauka jest to, że reakcje chemiczne w laboratorium często prowadzą do powstania produktów ubocznych, które mogą rozpocząć własne niepożądane reakcje, pozostawiając naukowcom jedynie niewielkie ilości materiału, na którym pierwotnie im zależało. W jaki więc sposób młoda Ziemia wytworzyła wystarczającą ilość związków budulcowych, aby ostatecznie powstało na niej życie?

Aby to ustalić, naukowcy wycięli rozgałęziające się sieci wzajemnie połączonych szczelin w maleńkim kawałku obojętnej substancji podobnej do teflonu o nazwie FEP i umieścili ją między dwiema szafirowymi płytkami. Szafiry doprowadzono do precyzyjnych, ale różnych temperatur, aby wytworzyć przepływ ciepła przez sieć geologiczną między nimi, naśladując sposób, w jaki ciepło prawdopodobnie przepływało na wczesnej Ziemi – być może w pobliżu wulkanów lub kominów hydrotermalnych. Następnie przez sieć szczelin przepuszczono wodę oraz podstawowe związki chemiczne i obserwowano, co się stanie.

W jednym z eksperymentów weryfikacyjnych wykorzystano glicynę, najprostszy aminokwas, wraz z substancją o nazwie TMP, która może reagować w celu połączenia dwóch cząsteczek glicyny. Takie reakcje nie zachodzą łatwo w środowisku wodnym, wyjaśnia Mast, dodaje też, że TMP występowało na młodej Ziemi niezwykle rzadko. Naukowcy donoszą, że kiedy po prostu zmieszali te składniki razem w zlewce lub w szczelinach geologicznych bez dodatku ciepła, ilość bardziej złożonego biopolimeru, jaka się wytworzyła, była: „znikomo mała”.

Jednak kiedy na szczelinach zastosowano gradient ciepła, produkcja biopolimeru gwałtownie wzrosła. Jest to istotne, ponieważ nawet jeśli aminokwasy są znaczące, to wciąż daleko im do życia. Takie związki chemiczne znaleziono też na przykład na zdecydowanie pozbawionych życia meteorytach. „Żeby przejść na wyższy poziom, muszą zacząć tworzyć się polimery – to podstawowy krok w kreowaniu dalszych form życia” – powiedział Pasek.  

Nie zapominajmy o garnku

Nawet ta nowoczesna eksperymentalna aranżacja nie jest w stanie ostatecznie odpowiedzieć na pytanie o genezę życia. Czy zaczęło się w sadzawce, która mogła istnieć na powierzchni Ziemi, czy raczej obok komina hydrotermalnego podobnego do tych znalezionych głęboko na dnie oceanów? Jak twierdzi Mast, przepływ ciepła przez skały może występować w wielu różnych warunkach geologicznych i prawdopodobnie był „wszechobecny” na wczesnej Ziemi.

Ta eksperymentalna struktura może być jednak wykorzystana do testowania różnych innych teorii na temat wczesnej chemii na naszej planecie. Mast ma nadzieję w następnej kolejności stworzy sieć szczelin zrobioną z prawdziwych materiałów geologicznych i zbudować jeszcze większe sieci połączonych ze sobą komór. To wszystko służy za kolejne przypomnienie, że eleganckim eksperymentom chemicznym zdarza się ignorować fundamentalną w zasadzie część tej pierwotnej zupy: garnek.

W 2021, grupa badaczy odkryła, że w tym sławnym eksperymencie z lat 50-tych sama kolba – a raczej szkło borokrzemowe, z którego była wykonana – odegrała role w otrzymanych wynikach.   Gdy ta grupa powtórzyła eksperyment w kolbie szklanej, potem w teflonowej, a następnie w teflonowej z dodatkiem odrobiny szkła borokrzemowego, okazało się, że szkło było kluczowym elementem katalizującym reakcję.  

„Innymi słowy, przy gotowaniu 'pierwotnej zupy' ważny jest też garnek” – napisał w e-mailu Juan Manuel García-Ruiz, profesor w Donostia International Physics Center w Hiszpanii, który brał udział w oryginalnym eksperymencie. Pochwalił nową pracę za kreatywne podejście do tematu i, co ważniejsze, za to, że jest: „geologicznie wiarygodna”. „Być może nie jest to jedyny możliwy mechanizm, ale jest bardzo pomysłowy i działa, a przede wszystkim jest to eksperyment, który można zademonstrować – powiedział García-Ruiz. - Myślę, że potrzebujemy więcej kreatywności w naszym podejściu, jeśli chcemy zbadać geochemiczny kontekst planety, na której narodziło się życie”.