Marcin Rotkiewicz, "Z gliny powstałeś" (2004)

Naukowcy coraz bliżej stworzenia życia w laboratorium

Sensacja, która przeszła niezauważona: pół wieku po rozpoczęciu prób stworzenia życia z nieożywionej materii amerykańskim naukowcom udało się uzyskać pierwsze komórki, które mogą się mnożyć.

Nikt poza Stanleyem Millerem, młodym doktorantem z Wydziału Chemii University of Chicago, nie zwrócił specjalnej uwagi na fragment wykładu kursowego prof. Harolda Ureya, wybitnego chemika i laureata Nagrody Nobla. Opowiadając o powstaniu Układu Słonecznego amerykański naukowiec wspomniał mimochodem, że pierwotna atmosfera Ziemi ponad 4 mld lat temu była zapewne pozbawiona gazowego tlenu, ale za to bogata w metan, amoniak oraz parę wodną. Z tych prostych związków chemicznych – na skutek działania promieniowania lub wyładowań elektrycznych – mogły powstawać substancje organiczne, czyli podstawowe cegiełki życia.

Ocean w laboratorium

Ta krótka dygresja niezwykle zainteresowała Millera. O samorzutnym powstaniu życia mówiło się wprawdzie od jakiegoś czasu, ale wszystko sprowadzało się do teoretycznych spekulacji, niepopartych żadnymi eksperymentami. Pierwsze dociekania na ten temat, jeszcze w latach dwudziestych ubiegłego stulecia, opublikował wybitny rosyjski biolog Aleksander Oparin. Zakładał on istnienie pierwotnej beztlenowej atmosfery ziemskiej bogatej w proste związki wodoru, węgla, azotu i tlenu.

Miller postanowił teorię tę sprawdzić i swoją pracę doktorską poświęcił próbom stworzenia w laboratorium cząsteczek podstawowych dla życia z mieszaniny gazów. Harold Urey, do którego zwrócił się z prośbą o opiekę nad doktoratem, wcale nie był zachwycony tym pomysłem – obawiał się, że z eksperymentu może nic nie wyjść. Jednak Miller w końcu przekonał go przyrzekając, że jeśli przez pół roku nie otrzyma znaczącego wyniku, porzuci badania.

Obydwaj przystąpili do budowy aparatury symulującej warunki panujące na Ziemi zaledwie kilkaset milionów lat po jej powstaniu. Był to zamknięty układ naczyń i rurek, w których krążyła mieszanina wodoru, amoniaku, metanu i pary wodnej. Taki gazowy koktajl schładzano, dzięki czemu skraplał się i udawał deszcz tworzący na dnie naczynia pierwotny „ocean”. Ten z kolei podgrzewano, by powoli parował do kolejnego naczynia i formował „chmury”, przez które przeskakiwały „burzowe błyskawice”, czyli wyładowania elektryczne. „Chmury” stopniowo się ochładzały, znowu padał z nich „deszcz” i cykl się powtarzał.

Już po tygodniu wybuchła sensacja. W „oceanie” Millera pojawiły się trzy aminokwasy, czyli związki chemiczne, z których składają się białka – podstawowy budulec wszystkich istot żywych. W dość prostym doświadczeniu udało się bowiem wykazać, że cegiełki życia mogą bardzo łatwo powstawać z najprostszych związków chemicznych. – Eksperymenty Millera dokonały ogromnej rewolucji w myśleniu o powstaniu życia i spowodowały, że zaczęto się tym problemem intensywnie zajmować – mówi prof. Józef Kaźmierczak z Instytutu Paleobiologii PAN, specjalista w dziedzinie badań najstarszych śladów życia na Ziemi.


Miller opublikował swoje wyniki w maju 1953 r. w tygodniku naukowym „Science”. Od tego czasu przeprowadzono wiele podobnych badań, które potwierdziły osiągnięcia Amerykanina. Modyfikowano w nich wprawdzie skład pierwotnej ziemskiej atmosfery – dziś uważa się, że przeważał w niej tlenek i dwutlenek węgla, metan oraz gazowy azot – ale i tak otrzymywano podstawowe cegiełki życia.

Przypadek czy konieczność

Czy doświadczenia Millera i jego naśladowców rozwiązywały zagadkę powstania żywych organizmów? Nie do końca. Do narodzin życia konieczne jest pokonanie trzech etapów. Pierwszy to przekształcenie się prostych związków chemicznych w bardziej złożone substancje organiczne – między innymi aminokwasy, zasady azotowe i cukry. To właśnie wykazał Miller i jego naśladowcy. Następny etap to łączenie się aminokwasów w białka, a zasad azotowych i cukrów w kwasy nukleinowe – RNA i DNA mogące być nośnikami informacji genetycznej, czyli powstawanie złożonych związków organicznych (makrocząsteczek). Wreszcie ostatni etap: makrocząsteczki muszą stworzyć samodzielne struktury funkcjonujące podobnie jak komórki – po to, by taki pierwotny żywy organizm mógł produkować i magazynować energię oraz bez przeszkód się replikować.

Długo wydawało się, że rozwiązanie zagadki ostatnich dwóch etapów narodzin życia będzie niezwykle trudne. Niektórzy naukowcy, jak na przykład laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii Jacques Monod, uważali, że prawdopodobieństwo powstania życia było tak małe, iż szanse powtórzenia tego zdarzenia są mniejsze niż główna wygrana w totolotka. Jego zdaniem życie pojawiło się jedyny raz w historii kosmosu właśnie na Ziemi dzięki nieprawdopodobnie szczęśliwemu zbiegowi okoliczności. Swoje tezy Monod przedstawił w słynnej książce o znamiennym tytule „Przypadek i konieczność”.

Łączenie się prostych związków organicznych w długie łańcuchy tworzące skomplikowane struktury, takie jak białka czy DNA, mogło rzeczywiście wydawać się nieprawdopodobne i nieprzypadkowe. Jednak w latach siedemdziesiątych dwaj nobliści, Manfred Eigen i Ilya Prigogine, rozwiązali ten problem. – Okazało się, że w tak zwanych stanach dalekich od równowagi, gdy na przykład występują duże różnice temperatur, mogą dziać się rzeczy zaskakujące, pozornie przeczące zdrowemu rozsądkowi. Jeśli na przykład cienką warstwę cieczy umieści się między dwiema płytkami, z których jedną będzie się podgrzewać, a drugą ochładzać, to jednorodna ciecz przybierze dynamiczną strukturę podobną do komórek plastra miodu. Substancje chemiczne same więc mogą organizować się w bardziej skomplikowane struktury i nie dążą do przywrócenia stanu równowagi – mówi prof. Zbigniew R. Grabowski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.


Ponadto, zdaniem prof. Kaźmierczaka, Jacques Monod głosił swoje pesymistyczne poglądy, gdy nie było jeszcze ciekawych danych pochodzących z obserwacji kosmosu. Dzięki sondzie Galileo i teleskopowi Hubble’a dowiedzieliśmy się o powszechnej obecności w kosmosie substancji organicznych potrzebnych do budowy życia. Zawiera je pył międzygwiazdowy, jądra komet, a można je także znaleźć na księżycach Jowisza i Saturna. – Te dwa urządzenia dokonały w nauce gigantycznej rewolucji, która niesie bardzo optymistyczne przesłanie – powstanie życia wydaje się wbudowane w ewolucję materii i Wszechświata – mówi prof. Kaźmierczak.

Jajko czy kura

Dziś naukowcy wiedzą już dokładnie, jak powstają wszystkie substancje chemiczne potrzebne do stworzenia życia. Udało im się rozwiązać także inną zagadkę, która długo spędzała sen z powiek badaczy. Był to klasyczny problem jajka i kury – co było pierwsze? Kwasy nukleinowe, czyli DNA i RNA, nie mogły bowiem powielać się bez pewnego rodzaju białek – enzymów zwanych polimerazami. Do ich powstania z kolei potrzebne były... kwasy nukleinowe. Dopiero odkrycie dokonane w 1983 r. przyniosło rozwiązanie: istnieją krótkie łańcuchy RNA mające bardzo podobne właściwości do polimeraz. U zarania życia nie potrzeba więc było białek do powielania materiału genetycznego.

Tak narodziła się hipoteza świata RNA, za którą przemawia coraz więcej odkryć. Życie początkowo musiało się opierać wyłącznie na kwasie rybonukleinowym. Dopiero później wyparł je dominujący dziś na Ziemi kwas deoksyrybonukleinowy (choć nosimy w swoich komórkach również RNA, ale pełni on funkcje „techniczne”, natomiast plan budowy całego organizmu jest zapisany w DNA). Zwycięstwo DNA wynikało zapewne z faktu, że jest to trwalszy związek chemiczny, lepiej przechowujący informację genetyczną.

Znając odpowiedzi na pytania, jak mogły powstać proste i złożone substancje organiczne, naukowcy zabrali się za rozwiązywanie najtrudniejszego zagadnienia – powstania komórek. Zbieg okoliczności sprawił, że dokładnie pół wieku po eksperymentach Millera amerykańskim uczonym udało się przeprowadzić badania przybliżające rozwiązanie zagadki ostatniego etapu narodzin życia.


4 miliardy lat temu

Pod koniec 2003 r. trzej uczeni – Martin Hanczyc, Shelly Fujikawa i Jack Szostak z Massachusetts General Hospital w Bostonie – pokazali, jak ze związków tłuszczowych i RNA mogą, przy udziale minerałów, tworzyć się komórki. W pierwotnym oceanie doszło do powstania kwasów tłuszczowych (wiadomo bowiem, że ich synteza była wtedy zjawiskiem pospolitym) i RNA. Dodali więc je do wody o zasadowym odczynie – jaki najprawdopodobniej miał pierwotny ocean. Ponieważ jednak 4 mld lat temu gorące źródła wulkaniczne na dnie oceanów zakwaszały wody, naukowcy zaczęli zmieniać odczyn w laboratorium na bardziej kwaśny. Okazało się, że takie nagłe zmiany cechują strefy mieszania się wód zasadowych i kwaśnych i tam właśnie dochodzi do powstawania pęcherzyków kwasów tłuszczowych, czyli czegoś przypominającego komórki.

Ponadto wykazali, że proces ten przebiega szczególnie szybko, jeśli w wodzie występuje zawiesina montmorylonitu – ilastego minerału występującego obficie w glinie i na pewno powszechnego na młodej Ziemi. Jego powierzchnia jest ujemnie naładowana, więc minerał ten przyciąga dodatnie cząsteczki kwasów tłuszczowych i tworzy z nich pęcherzyki. – Na montmorylonit, jako materiał mogący odgrywać bardzo istotną rolę w powstaniu życia, badacze zwracali uwagę od dość dawna. Zajmował się nim między innymi wybitny chemik Aharon Katchalsky, prezes Izraelskiej Akademii Nauk, który niestety zginął w jednym z pierwszych zamachów bombowych na lotnisku w Tel Awiwie – mówi prof. Grabowski.

Montmorylonit ma ponadto budowę warstwową. Pomiędzy tymi warstwami chętniej wiąże duże cząsteczki niż małe. Amerykańscy naukowcy dodali więc jeszcze więcej minerału do zawiesiny z pustymi pęcherzykami tłuszczu i dorzucili RNA. Ku ich wielkiej radości pęcherzyki wypełniły się kwasem nukleinowym.

Tłuste życie

Na tym doświadczenie się jednak nie zakończyło – badaczom udało się powiększyć i rozmnożyć „tłuszczowe komórki”. Wzrost pęcherzyków następował po dodaniu kolejnej porcji montmorylonitu. Natomiast rozmnażanie polegało na przepuszczeniu wody zawierającej pęcherzyki tłuszczowe przez porowaty materiał – taki jak pumeks. Wówczas „komórki” dzieliły się, tracąc przy tym niewiele więcej niż połowę swojej zawartości. RNA mogło więc być przekazywane następnym pokoleniom tłuszczowych pęcherzyków. Eksperyment ten dowodzi, że na najwcześniejszych etapach życie wcale nie potrzebowało skomplikowanej maszynerii biochemicznej do powielania i powiększania komórek.

– To ogromne odkrycie nie zostało tak nagłośnione, jak na to zasługuje. Amerykanie spięli bowiem w całość to, co do tej pory wiedzieliśmy na temat kolejnych etapów powstania życia. Dzięki takim eksperymentom nauka jest bardzo blisko stworzenia od podstaw życia „w probówce”. Kiedy do tego dojdzie? Mam nadzieję, że jeszcze za mojego życia – mówi prof. Kaźmierczak. Również prof. Grabowski uważa, że to tylko kwestia czasu: – Dokonamy tego jeszcze w tym stuleciu. Ale nie łudźmy się, że dokładnie powtórzymy zjawiska, które działy się na Ziemi ponad 4 mld lat temu. Tak jak bitwę pod Grunwaldem możemy niezwykle wiernie inscenizować, ale nie jest to prawdziwa bitwa. Ta zdarzyła się tylko raz.

Poza tym taka stworzona od podstaw istota żywa może pod względem budowy chemicznej okazać się inna niż znane nam życie. Na przykład będzie miała odmienny, może nawet lepszy, kod genetyczny. – Trzeba więc bardzo uważać, bo możemy przez przypadek stworzyć coś, co okaże się niebezpieczną konkurencją dla istniejącego już życia – przestrzega prof. Grabowski.

http://polityka.onet.pl/162,1151703,1,0,2441-2004-09,artykul.html