Gyvybė Žemėje galėjo atsirasti ne vieną kartą?

Toli gražu ne stebuklas, nutikęs vos kartą prieš 4 milijardu metų, gyvybės atsiradimas galėjo būti toks įprastas, kad galėjo įvykti ne kartą

Per 4,5 milijardus metų Žemės istorijos, mums pažįstama gyvybė radosi vos vieną kartą. Visų mūsų planetos gyvų organizmų chemija tokia pati ir gali būti atsekta iki paskutiniojo visuotinio bendro protėvio LUCA – (last universal common ancestor). Tad, darome prielaidą, kad gyvybei užsimegzti buvo itin sunku, ir kad ji randasi tik susiklosčius praktiškai neįmanomoms aplinkybėms.

Ar tikrai? Paprasti biologų eksperimentai, kuriais siekiama atkurti ankstyviausius gyvybės susidarymo momentus, tokią prielaidą paneigia. Gyvybė, panašu, tėra elementarios chemijos klausimas – nereikia burtų, retų ingredientų, nei perkūno iš giedro dangaus.

O iš to kyla dar labiau intriguojanti perspektyva. Užuot susikūrusi vos kartą kažkokiame chemiškai palaimintame pirmykščiame tvenkinyje, gyvybė galėjo turėti daugybę pradžių. Ji galėjo prasidėti ir vystytis daugybe skirtingų formų šimtus ir tūkstančius metų, ir tapti tuo, ką matome dabar, visoms kitoms formoms išnykus per pirmąjį Žemės visuotinį išmirimą. Ankstyviausiomis planetos dienomis mums pažįstama gyvybė galėjo būti visai ne vieniša.

Čia derėtų paaiškinti, kad kalbama apie gyvybę, buvusią gerokai anksčiau, nei atsirado augalai, gyvūnai, ar mikrobai. Keliaujame į pačią pradžią, kai „gyvybės“ apibrėžimą atitiko tik molekulinės mašinos. Ir net tada, be kūno, organų ir ląstelių, supaprastinus iki esminių reakcijų, reikalai atrodo velnioniškai sudėtingi. Gyvybei mažų mažiausiai reikia kažkokio kodo, pagal kurį būtų galima sukurti naudingas molekulines mašinas, o dar tas kodas privalo mokėti daryti savo kopijas.

O jei gyvybė buvo paprasta? Be burtų, be retų ingredientų, be perkūno iš giedro dangaus

Per ilgą laiką žmonės pradinių komponentų susidarymą aiškino įvairiomis išorinėmis jėgomis. Garsiuosiuose praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje rengtuose Urey’aus-Millerio eksperimentuose, veiksmą pastūmėdavo elektros išlydis, mėgdžiojantis žaibą, trenkiantį į vandenį (žr. „Perkūnas iš giedro dangaus“). Kitose teorijose nagrinėta meteoritų ar kometų pristatytų medžiagų įtakos galimybė.

Vėliau chemikai gyvybės atsiradimo problemos ėmėsi metodiškiau. Suskirstydami pačią pradžią į komponentų stadijas (žr. „Keturi žingsniai“), jie nuvalo misticizmo apnašas nuo pirminio gyvybės atsiradimo. Jų atradimai rodo visiškai kitokią pradžią. Filypui Hplidžeriui (Philipp Holliger) iš Kembridžo, JK, Molekulinės MRC laboratorijos, gyvybę nuo negyvybės skiria genetinis kodas. „Biologija turi atmintį, o chemija neturi,“ sako jis. „Man gyvybės atsiradimas iš tiesų yra informacijos atsiradimas.“

Daugelis biologų pritaria gyvybės atsiradimo RNR pasaulyje hipotezei, skelbiančiai, kad iki DNR, šią informaciją pernešė artima jos giminaitė RNR. Abi molekulės yra ilgos pasikartojančių nukleotidų „raidžių“ grandinės. Tad, pagal šią gyvybės atsiradimo versiją, pirmasis žingsnis turėjo būti RNR statybiniai blokai.

Tomas Karel (Thom Carell), biomolekulinės chemijos ekspertas iš Liudvik Maksimiljan (Ludwig Maximilian) universiteto Miunchene, Vokietijoje, paskelbė, kad jo komandai pavyko rasti labai paprastą kai kurių iš šių blokų gamybos būdą iš medžiagų, kurių ankstyvojoje Žemės vystymosi stadijoje netrūko. „Daug nereikia – pakanka vandenilio cianido, amoniako ir skruzdžių rūgšties, ir štai, prašom,“ sako jis. Carelio statybiniai blokai yra dabar ląstelėse randamų statybinių blokų prekursoriai, tai reiškia, kad jie beveik, nors ir ne visai, užbaigti. Net ir šiuo atveju, jo reakcijos rodo, kad RNR pasaulis galėjo susikurti santykiniai paprastai. „Tai yra mūsų darbo grožis. Iš tiesų nereikia jokių ypatingų sąlygų. Šios reakcijos gali vykti bet kur – mažame ežerėlyje, jūrų gelmėse, bet kur,“ pažymi mokslininkas.

Taigi, turime kodo raides, nors iš laisvai plaukiojančių raidžių menka nauda. Tačiau kita stadija gali būti nesunki. Prieš dvidešimt metų, britas chemikas Leslis Orgelas (Leslie Orgel) parodė, kad vos pradėję formuotis RNR statybiniai blokai spontaniškai jungiasi į grandines. Tereikėjo molio. Taip yra, nes kai kuriuose moliuose kristalai turi elektrinį krūvį, kuris pritraukia RNR ir paskatina jas lygiuotis ir sulipti.

Nuo kodo prie mašinų

Tačiau iki gyvybės dar toloka. Kodas naudingas tik jeigu jis veikia kaip gamybos šablonas tokioms medžiagoms, kaip baltymai – visų gyvų sutvėrimų statybinėms medžiagoms ir varikliams. Mūsų kūnuose šis vyksmas vadinamas genų ekspresija, ir tai – neišpasakytai sudėtingas procesas, vykstantis, prižiūrint sudėtingoms molekulinėms mašinoms. Labai menkai tikėtina, kad jis galėjo tiesiog šiaip sau išsivystyti pirmykščiame purve. Kaip visa tai nuveikti ankstyviausioms gyvybėms formoms? Michaelis Jarusas (Michael Yarus) iš Kolorado valstijos universiteto Boulderyje mano žinantis sprendimą. „Kelis metus praleidome gamtoje, atlikdami eksperimentus,“ – sako ji. „Atlikome juos šaltyje, atlikome sausai, atlikome tirpaluose – kaip tik galėjome sugalvoti.“

Galiausiai jo komanda aptiko stulbinamai paprastą reakciją, kuri, pasak jų, primena labai rudimentinę genų ekspresiją. Maišydami pasikartojančias RNR gijas vandenyje su laisvai plaukiojančiomis RNR raidėmis, jie išsiaiškino, kad raidės spontaniškai susirikiuodamos, formuoja naujas molekules. O pradinė RNR gija veikė kaip šablonas. Atkreiptinas dėmesys, kad naujosios molekulės atrodo kaip paprasčiausios cheminės mašinos mūsų kūnuose, vadinami kofermentai.

Dabar kofermentų atsakomybei, iš esmės, palikta tik pagalba kitiems, didesniems fermentams, atlikti savąjį darbą, bet galbūt jie yra ankstyviausių gyvybės stadijų reliktai. Daugelis jų sudaryti iš tų pačių komponentų, kaip RNR ir DNR. „Galima pagrįstai teigti, kad jie – molekulinės fosilijos,“ – sako Holidžeris. Jarusas sako, kad jo komandai pavyko sukurti nikotinamido adenino dinukleotidą (NAD), kofermentą, kurį dabar visos gyvos ląstelės naudoja energijos gamybai iš cukraus.

Tai turėjo būti pats pirmasis masinis išmirimas prieš milijardus metų

Kaip ir Carello RNR komponentų atveju, šios reakcijos vyksta gan lengvai. „Nereikia magijos, nereikia egzotiškos chemijos. Užtenka to, kas guli po ranka praktiškai kiekvienoje chemijos laboratorijoje ir galima iškart imtis genų ekspresijos“. Jo eksperimentuose galima išvysti „nenutrūkstamą kilmės liniją iki pat pradinio įvykio“. Vėlgi, taip gali ir nebūti. Tikslios gyvybės atsiradimo pradžios paieškas apsunkina tai, kad užtikrinto atsakymo gauti neįmanoma, tegalima racionaliai spėlioti.

Džekas Šostakas (Jack Szostak), chemikas evoliucionistas iš Harvardo medicinos mokyklos sako įtariantis, kad tokie kofermentai kaip NAD, galėjo susiformuoti vandenyje spontaniškai, be RNR šablonų. Jei tai tiesa, Jaruso teiginiai, kad jis atkūrė genų ekspresijos prekursorių, yra ne tokie stiprūs. Šostakas atsargiai vertina ir Carello reakcijas, sakydamas, kad jos nebūtinai veikė ankstyvojoje Žemėje. „Tai tik žingsnis, ne galutinis atsakymas.“ – sako jis Kaip bebūtų, Šostakas turi ir ką pasiūlyti į dėlionę. Paklauskit ko nors, kokios, jų nuomone, svarbiausios gyvybės savybės ir anksčiau ar vėliau dauguma paminės „reprodukciją“. Gyvi sutvėrimai daro savo pačių kopijas, inertiški daiktai, tarkime, akmenys, to nedaro. Be reprodukcijos gyvybė atsidurtų akligatvyje. Dabar DNR kopijavimu užsiima specialūs fermentai.

Bet Šostako komanda parodė, kad RNR gali efektyviai kopijuoti save be jokių fermentų. Jie sumaišė RNR šabloną su laisvai plaukiojančiais RNR statybiniais blokais, kaip kad ir Jarus. Bet Šostakas pridėjo dar kelis RNR fragmentus, atitinkančius šablono dalis. Ir to pakako. Šie fragmentai pradėjo replikacijos procesą ir komanda netrukus gavo ganėtinai geras šablono kopijas. „Šios reakcijos vyksta gan lengvai,“ – sako Šostakas.

Kitiems nukopijuoti RNR be fermentų yra pavykę ir anksčiau, bet šios reakcijos spartesnės. Šostakas pažymi, kad maži, kopijavimą paspartinantys fragmentai tokie trumpi, kad prieš 4 milijardus metų galėjo susiformuoti spontaniškai. Šostako komanda mano, kad šios ar panašios reakcijos galėjo būti ankstyva replikacijos forma, nors ne visada sukurdavo idealias kopijas. Galiausiai išsivystė nauji šablonai, koduojantys išties naudingas savybes, tokias, kaip ląstelių sienelių statymas. Tada tapo svarbus geresnis kopijavimas. „Kai atsiranda kažkas, ką verta replikuoti, kyla stipri atranka replikavimo mechanizmui vystytis,“ sako – Šostakas.

Daug pradžių

Kartu visi šie atradimai rodo, kad rudimentinio RNR pasaulio sukūrimui visai nereikia išskirtinių, kartą visatoje pasitaikančių progų, kaip populiaru manyti. Taip kyla intriguojanti galimybė: ankstyviausios gyvybės stadijos nenutinka tik kartą, bet vyksta vėl ir vėl. „Jei visi gyvybės atsiradimo žingsniai tokie lengvi, gyvybė galėjo prasidėti daugybę kartų, skirtingose ankstyvos Žemės vietose,“ sako – Šostakas.

Jei tai tiesa, pirmojoje gyvybės epochoje vyko daugybė eksperimentų. „Pirmykštėje sriuboje“ rasdavosi įvairiausios gyvos molekulinės mašinos, kai kurios sėkmingesnės už kitas. Kurį laiką jos galėjo gyvuoti drauge, bet galiausiai liko tik sėkmingiausios – dėl to, kad buvo geresnės už visas kitas, dėl to, kad pasikeitė sąlygos ar dėl paprasčiausio atsitiktinumo.

Tai buvo pirmasis, prieš milijardus metų vykęs, Žemės masinis išmirimas. Apie šį eksperimentų amžių ar jo pabaigą liko itin mažai reliktų. Žinome, kad LUCA liko nugalėtoju, davusiu pradžią visai vėlesnei gyvybei. „LUCA turėjo būti itin sėkmingas organizmas, nes jei buvo kokios nors kitos medžio šakos, moderniojoje biologijoje jokių kitų palikuonių neliko,“ – sako Holidžeris. Svarbus pastarojo dvidešimtmečio pasiekimas, kad buvo išsiaiškinta, jog LUCA buvo gan pažangus organizmas, – sako Stepanas Frylendas (Stephen Freeland), evoliucijos biologas iš Marylando universiteto Baltimorės apygardoje. LUCA jau veikiausiai naudojo DNR, o ne RNR, ir buvo apsupta membranos, sukūrusios mikroaplinką sudėtingų baltymų kūrimui. Holidžeris spekuliuoja, kad tokios inovacijos lėmė jos išlikimą, kai tuo tarpu visos kitos formos išmirė. Bet kadangi visa kita jau seniausiai išnyko, žvilgtelėti į gyvybės pradžią galima tikėtis tik mėgintuvėliuose. „Vienintelis būdas – pabandyti išauginti šias sistemas ir pažiūrėti, kas galėjo formuotis ir veikti,“ – sako Šostakas. Kas žino, visai įmanoma, kad taip galėtume sukurti visai naujas gyvybės rūšis.

Perkūnas iš giedro dangaus

Šeštajame dešimtmetyje du chemikai – Stenlis Mileris (Stanley Miller) ir Haroldas Jurei (Harold Urey) – pirmieji pademonstravo, kad esminiai gyvybės statybiniai blokai gali būti sukurti iš paprastesnių medžiagų. Svarbiausią vaidmenį suvaidino elektra. Jie vandens ir dujų, kurių, jų manymu, turėjo būti pirmykštėje Žemėje, mišinį paveikė simuliuotais žaibais. Taip susidarė aminorūgštys, molekulės, iš kurių sudaryti visi dabartiniai baltymai.

Gyvybei užsimegzti baltymai nebūtini, bet tam tikroje stadijoje jie tampa nepakeičiami ir visa dabar egzistuojanti gyvybė baltymus kuria iš tų pačių, maždaug 20-ies, aminorūgščių. Aiškėja, kad aminorūgštys susidaro išties labai lengvai: jos rastos beveik visame kosmose, kur tik pažvelgdavo astrobiologai. „Maždaug pusę jų visata suteikia mums nemokamai,“ – sako Stefanas Frylendas iš Marylando universiteto. Kai kurios rastos meteorituose ir Rosetta zondu, besisukančiu apie 67P/Churyumov-Gerasimenko kometą. Eksperimentai rodo, kad norint gauti tas aminorūgštis, šiek tiek energijos visgi reikia – meteorito smūgio sukeltos smūgio bangos ar hidroterminių versmių karščio pavidalu. Tad, nors genetinio kodo kūrimo žaibų botagais raginti nereikėjo, baltymų susidarymas veikiausiai be to neapsiėjo.

Kuriame Žemės kampe?

Aiškėjant, kaip galėjo prasidėti gyvybė, galime geriau suprasti ir jos atsiradimo vietą. Žinome, kad molis gali padėti RNR susijungti į pagrindinius gyvybės blokus. Deja, tai viena iš prasčiausių galimų užuominų, sako Michaelas Jarus iš Kolorado universiteto Boulderyje: „Molio yra visur.“ Bet molis nėra pakankama gyvybės susidarymo sąlyga, ir vietų, kur visos jos galėjo sutapti, – daug mažiau, sako jis. Jo eksperimentai rodo, kad gyvybė galėjo užsimegzti vandenyje, į kurį kartais patekdavo įvairių cheminių elementų, palikusių naujas reakcijas.

Barbara Šervud Lolar (Barbara Sherwood Lollar) iš Toronto universiteto Kanadoje, tyrinėja izoliuotas senovinio vandens kišenes, giliai įstrigusias seniausiose pasaulio uolienose. Tokiose uolienose atsiveria ir užsidaro įtrūkimai, sukurdami būtent tokias sąlygas, – sako ji. Uolienų įtrūkimai taip pat galėjo būti paviršiais, apsaugančiais vykstančias reakcijas nuo UV spinduliavimo ir aktyvaus asteroidų bombardavimo, dėl kurio didelė dalis ankstyvosios Žemės paviršiaus buvo itin nesvetinga.

Ar yra kokių nors galimybių rasti tokio gyvybės katilo liekanų? Šervus Lolar tiriamoms uolienoms vos keli milijardai metų – pirmajai gyvybei pernelyg jaunos. „Šioje planetoje labai mažai išlikusių uolienų, kurioms 4 milijardai metų ir daugiau,“ – sako ji. Bet aptikti jose gyvybės užuomazgas būtų neįtikėtina sėkmė: iš viso šios uolienos užima plotą, ne didesnį, nei Manhetenas.