Naukowcy przeprowadzili na nowo eksperyment, który wykazał, jak mogło rozpocząć się życie na Ziemi. Odkryli nową możliwość

Zdjęcie: Frank Bienewald/LightRocket/Getty Images

Ziemia powstała około 4,5 miliarda lat temu, a najstarszy jawny skamieniały dowód pradawnego życia – stromatolity, bądź mikroskopijnej wielkości organizmy zachowane w warstwach zwanych matami mikrobiologicznymi – ma dla odmiany około 3,5 miliarda lat. Jednak niektórzy naukowcy podejrzewają, że życie powstało jeszcze wcześniej, wychodząc z akumulowanych molekuł organicznych w prymitywnych akwenach wodnych, mikstury czasami określanej mianem zupy pierwotnej.

Ale skąd wziął się ten organiczny materiał w pierwszej kolejności? Dekady temu, badacze zaproponowali, że błyskawica mogła spowodować reakcje chemiczne w oceanach młodej Ziemi, co spontanicznie wyprodukowało molekuły organiczne.

A teraz, nowe badanie opublikowane dnia 14 Marca w dzienniku Science Advances sugeruje, że przebłyski ledwo widocznego „mikro pioruna”, powstałego pomiędzy naładowanymi kroplami wodnej mgły, mogły być wystarczająco potężne do ugotowania aminokwasów z nieorganicznych materiałów. Aminokwasy – organiczne molekuły łączące się w celu uformowania protein – są najbardziej podstawowymi budulcami życia na Ziemi i mogły być pierwszym krokiem w stronę ewolucji życia. 

„Rozpoznaje się, że energetyczna kataliza była prawie na pewno wymagana do rozpoczęcia pewnych reakcji na wczesnej Ziemi, które doprowadziły do początków życia”, mówi astrobiolożka i geobiolożka Doktor Amy J. Williams, Profesor nadzwyczajna na oddziale geonauk na Uniwersytecie Florydzkim. W celu uformowania się aminokwasów, potrzebne są atomy azotu, które są w stanie łączyć się z karbonem. Uwalnianie się atomów z gazu azotowego wymaga oddzielenia potężnych więzi molekularnych i zużywa znaczące ilości energii, według Williams, która nie była powiązana w badanie.

„Piorun, bądź w tym przypadku, mikro piorun, posiada energię do rozszczepiania więzi molekularnych i tym samym ułatwienia generacji nowych molekuł, krytycznych w początkach życia na Ziemi”, powiedziała Williams CNN w wiadomości elektronicznej.

„Mgła i mikropiorun”

W celu odegrania scenariusza, który mógł wyprodukować pierwsze organiczne molekuły na Ziemi, badacze przeprowadzili eksperymenty już od 1953 roku, kiedy to Amerykańscy chemicy Stanley Miller i Harold Urey przygotowali mieszankę gazów naśladującą atmosferę pierwotnej Ziemi. Miller i Urey połączyli Amoniak (NH3), metan (CH4), wodór (H2) i wodę, zamknięte w ich „atmosferze” w szklanej kuli i porazili je prądem, tworząc proste aminokwasy zawierające karbon i azot. Eksperyment Miller-Urey, bowiem tak jest zwany, wsparł naukową teorię abiogenezy: życie mogło powstać dzięki działaniom nieożywionych molekuł.

W nowych badaniach, naukowcy wrócili do eksperymentów z 1953 roku ale skierowali uwagę w stronę działania elektrycznego na mniejszą skalę, mówi starszy autor badań, Doktor Richard Zare, Profesor nauk przyrodniczych im. Marguerite Blake Wilbur i Profesor chemii w Kalifornijskim Stanford University. Zare i jego współpracownicy przejrzeli się wymianie elektryczności pomiędzy naładowanymi kroplami wody, mierzonymi od jednego mikronu do 20 mikronów na diametr. (szerokość ludzkiego włosa wynosi 100 mikronów)

„Duże krople naładowane są dodatnio. Małe krople naładowane są ujemnie”, Zare wyjaśnił CNN. „Kiedy krople o przeciwnym naładowaniu się do siebie zbliżają, elektrony mogą przeskoczyć z kropli negatywnie naładowanej do pozytywnie naładowanej”.

Badacze zmieszali amoniak, dwutlenek węgla, metan i azot w szklanej kuli, po czym spryskali gazy wodną mgiełką, używając kamery szybkoobrotowej do sfotografowania przebłysków mikro piorunów w oparach. Kiedy przebadali zawartość kuli, odkryli organiczne molekuły z karbonowo-azotowymi połączeniami. Zawierały one glicynę aminokwasową i uracyl, nukleotydową bazę w RNA.

„Nie odkryliśmy niczego nowego; tak naprawdę odtworzyliśmy chemię przeprowadzoną przez Millera i Ureya w 1953 roku”, mówi Zare. Zespół również nie odkrył nic nowego pod względem fizycznym, dodał – eksperymenty były oparte na znanych zasadach elektrostatyki.

„To co zrobiliśmy, po raz pierwszy, zobaczyliśmy małe krople, kiedy formują się z wody, emitują światło i odbierają iskrę”, mówi Zare. „To jest nowe. I ta iskra doprowadza do jakichkolwiek rodzajów transformacji chemicznych”. 

Woda i życie

Piorun to dramatyczny pokaz energii elektrycznej, ale jest też sporadyczny i nieprzewidywalny. Nawet na lotnej Ziemi miliardy lat temu, pioruny mogły nie być zbyt frekwencyjne, żeby wytwarzać aminokwasy w ilościach potrzebnych do utworzenia życia – fakt, który doprowadził do wątpliwości na takich teoriach w przeszłości, mówi Zare.

Pryskanie wody, jednakże, mogłyby być częstsze niż błyskawice. Bardziej prawdopodobnym mogło być, że mikro pioruny wygenerowane we mgle cały czas raziły, doprowadzając do istnienia aminokwasów z kałuż i akwenów, gdzie molekuły mogły nagromadzić i uformować bardziej skomplikowane molekuły, co ewentualnie mogło doprowadzić do ewolucji życia.

„Mikro wyładowania pomiędzy ewidentnie naładowanymi mikro kroplami wody doprowadzają do powstania wszystkich organicznych molekuł zauważanych poprzednio w eksperymencie Miller-Urey”, mówi Zare. „Naszym zdaniem, jest to nowy mechanizm dla prebiotycznej syntezy molekuł, wchodzących w skład budulców życia”.

Jednak nawet z nowymi odkryciami dotyczącymi mikro piorunów, pozostają pytania dotyczące początków życia, dodaje. Choć niektórzy naukowcy wspierają pomysł elektrycznie naładowanych początków życia, alternatywna hipoteza abiogenezy sugeruje, że pierwsze aminokwasy na Ziemi zostały przygotowane wokół otworów hydrotermalnych na dnie oceanu, w połączeniu z wodą morską, cieczy bogatych w wodór i ekstremalnym ciśnieniem.

Jeszcze jedna hipoteza sugeruje, że molekuły organiczne w ogóle nie pochodzą z Ziemi. Zamiast tego, zostały uformowane w kosmosie i zostały przywiezione na Ziemię przez komety lub kawałki asteroid, w procesie zwanym panspermią.

„Nadal nieznana pozostaje odpowiedź na to pytanie” mówi Zare. „Ale jesteśmy zapewne bliżej do zrozumienia czegoś jeszcze o tym, co mogło się wydarzyć”.

Chociaż szczegóły początków życia na Ziemi mogą nigdy nie zostać dokładnie wyjaśnione, „to badanie zapewnia kolejny dostęp do formacji molekuł kluczowych w początkach życia”, mówi Williams. „Woda to wyjątkowy aspekt naszego świata, dając mu nazwę Niebieska Kulka, opisującym widok na Ziemię z kosmosu. Prawdopodobnie spadanie wody, najważniejszego elementu w naszym podtrzymaniu, odegrało też większą rolę w początkach życia na Ziemi niż uprzednio się to wydawało”.