TEMA BROJA

Dubravka Marić

I bi život... / Stvaranje života u laboratoriji

Ponavljanje davnog kosmosa

Pre oko 4,5 milijarde godina Zemlja je bila mlada planeta na kojoj nije bilo mogućnosti za život. Silovite vulkanske erupcije bljuvale su vodonik-sulfid u atmosferu, bilo je malo kiseonika, a planetu su često bombardovali asteroidi. Ipak, samo dvesta miliona godina kasnije, naša planeta je postala mnogo prijatnije mesto, pa se na njoj mogao pojaviti život.

Fosilni zapisi pokazuju da je Zemlja od pre oko 3,7 milijardi godina već obilovala jednoćelijskim organizmima. Među naučnicima postoji saglasnost u vezi sa činjenicom da su za postojanje života potrebna organska jedinjenja koja sadrže ugljenik, u kombinaciji sa vodom i izvorom energije. Ova varnica je mogla pokrenuti hemijske reakcije potrebne za stvaranje složenijih molekula, kao što su amino-kiseline od kojih su sagrađeni proteini i RNK - nukleinska kiselina koja je prisutna u svim živim ćelijama, a po strukturi je slična DNK. Ali, naučnici nisu saglasni u vezi  sa načinom na koji je nastao život na Zemlji. Poslednjih decenija je aktuelno više teorija za koje njihovi zagovornici stalno traže nove dokaze. To su teorija o panspermiji, teorija hemijske evolucije, teorija o primordijalnoj supi, teorija „svet RNK“ i teorija hidrotermalnih izvora. Sve one i dalje zaokupljaju pažnju naučnika koji rade u laboratorijama širom sveta.
Moderna teorija panspermije čak i ne pokušava da objasni kako je nastao život u Univerzuumu - to je van okvira hipoteze. Ona sugeriše da je život (ili makar njegovi sastojci) došao na Zemlju putem meteorita ili kometa. Ova teorija je stara, a bila je popularna među naučnicima u 19. veku. Tada su Pasterovi precizni ogledi koji su „zapečatili“ sudbinu još jedne drevne teorije o nastanku života (teorije o spontanoj generaciji), samo podstakli teoriju panspermije. Najozbiljniju varijantu ove teorije, postavio je Svante Arenijus, početkom prošlog veka. Ipak, popularnost teorije o panspermiji je opala pedesetih godina, zahvaljujući boljem razumevanja uslova koji vladaju u kosmosu. Ova teorija nije ozbiljno shvatana sve do kraja sedamdesetih godina, iako su je zastupali čuveni naučnici, kao što su astronom ser Fred Hojl i astrobiolog Čandra Vikramasinge. Profesor Vikrmasinge je, krajem novembra 2019, upozorio da bi na Zemlju putem kometa i njihove prašine, koja se taloži u stratosferi, ubrzo mogli da stignu novi sojevi virusa, koji će dovesti do pandemije kakva je bila 1918. Ono što se dogodilo samo tri meseca kasnije, kada je izbila pandemija bolesti Kovid-19, možda predstavlja potvrdu njegovog mišljenja i teorije o panspermiji.
Uz učestalost udara meteora širom planete, ova hipoteza ne samo što bi mogla da objasni odakle je došao život već i da odgovori kako se život raširio na različitim geografskim područjima. Meteoriti sadrže visoke nivoe metala, kao što su gvožđe, nikl, kobalt i uranijum, a koji na Zemlji igraju ulogu katalizatora. Kada meteorit uđe u atmosferu, zagreva se i ovi metali oksidiraju. „Na ranoj Zemlji smo imali atmosferu sastavljenu uglavnom od ugljen-dioksida i azota, pa sam mislio da bi se ugljen-dioksid mogao aktivirati pod ovim uslovima“, piše Oliver Trap, profesor organske hemije na Univerzitetu „Ludvig Maksimilijan“, u Minhenu.
Trapova doktorantkinja Sofija Peters je uzela je čestice gvožđa iz meteorita i vulkanskog pepela i mešala ih sa mineralima za koje se veruje da su postojali na ranoj Zemlji. Prvo je uklonila skoro sav kiseonik, koji ionako nije bio prisutan u Zemljinoj ranoj atmosferi. Da bi ponovila visoke atmosferske pritiske na površini planete, unela je materijal u komoru pod pritiskom koja je uglavnom sadržavala ugljen-dioksid i molekule vodonika. Eksperiment je uspeo, jer su nastala organska jedinjenja. Među njima i acetaldehid i formaldehid, koji grade mnoge za život najvažnije molekule: masne kiseline, nukleobaze, šećere i amino-kiseline.
Osim toga, istraživači su pokazali da mešanje aldehida sa drugim hemikalijama za koje se smatra da su bile prisutne u ranoj Zemljinoj atmosferi (cijanidom, amonijakom i vodonik-sulfidom), ima zanimljvu posledicu. „Uspeli smo da proizvedemo organske molekule koji mogu da menjaju sopstvenu strukturu i da ubrzaju proizvodnju drugih sličnih molekula", objašnjava Oliver Trap. Ovi molekuli, poznati kao organokatalizatori, prolaze kroz proces evolucije prirodnom selekcijom. To znači da će se reprodukovati samo „najuspešniji“. Profesor Trap smatra da su baš oni mogli da imaju važnu ulogu u nastanku života. „Otkrili smo skriveni sloj između prvih malih organskih molekula, a kasnije i samoreplicirajućih jedinjenja kao što je RNK", naveo je profesor Trap.

Hemija prethodi životu

Teorija o primordijalnoj supi kaže da su intenzivno ultraljubičasto zračenje i munje prisutni na ranoj Zemlji mogli da obezbede energiju za aminokiseline, a kasnije i za molekule kao što su DNK i RNK, da se formiraju u okeanima. Zasnovana je na starijoj teoriji iz dvadesetih godina prošlog veka, poznatoj kao „hipoteza Oparin-Holdejn“, „hemijska teorija“ i „teorija abiogeneze.“ Po njima život na Zemlji nastao je iz mrtve materije, zahvaljujući tadašnjim uslovima, i to pomoćuniza hemijskih reakcija koje su dovodile do postupnih promena. Hipoteza Oparin-Holdejn je dokazana početkom pedesetih godina 20. veka, kada su Stenli Miler i Harold Juri u laboratoriji stvorili uslove za spontani nastanak amino-kiselina u „atmosferi Jurijevog tipa“ (amonijak, metan, vodonik), kroz koju su propustili iskre da simuliraju munju. To što takvi uslovi na ranoj Zemlji verovatno nisu postojali jeste prvi problem za teoriju o primordijalnoj supi. Drugu teškoću predstavlja činjenica da je, tokom četiri milijarde godina, planeta uglavnom bila prekrivena ledom, a munje su u takvim uslovima retkost.
Nekadašnji Milerov student, Džefri Bada, koji je danas profesor hemije mora na Okeanografskom institutu „Skrips“, u San Dijegu (SAD), veruje da se ta munja mogla formirati u oblaku vulkanskog pepela. Za to postoji dobar razlog. Kada je 2022. eruptirao podvodni vulkan Hunga Tonga-Hunga Haʻapai, u Južnom Tihom okeanu, izbacio je u atmosferu mešavinu gasova, pepela i isparenja morske vode do visine od 52,8 km. Posledica toga bila je pojava neverovatnih 25.508 munja za samo pet minuta!
Profesor Bada veruje da je na ranoj Zemlji bilo mnogo malih vulkanskih ostrva sa veoma aktivnim vulkanima. Eksperimenti u kojima su oponašane vulkanske munje u aparatima koji sadrže ugljen-monoksid i vodonik, dali su kao rezultat amino-kiseline. One su mogle da nastanu u toj ranoj atmosferi pre nego što bi stigle do vulkanskih padina, a potom bi završile u baricama i jezercima, gde se život lakše razmnožava. U suštini, ovo je povratak na ranije tvrdnje da život nije mogao započeti na otvorenom okeanu zato što bi sve proizvedene hemikalije na bazi ugljenika odmah odletele i ne bi se dovoljno približile da reaguju sa drugim molekulima. U plitkim bazenima je voda mogla da ispari zbog sunčeve toplote, što je omogućilo stvaranje hemijskih jedinjenja, kao što je cijanovodonik od koga su istraživači dobili tri glavna molekularna gradivna bloka života: DNK, proteine i lipide.

Život postoji i u tami

Brojni naučnici su i dalje skeptični prema ovoj teoriji. Nik Lejn, profesor evolucione biohemije na Univerzitetskom koledžu u Londonu, smatra da je problem u vezi sa  životom započetim u bazenima to što tamo ne postoji očigledna pokretačka snaga. Teorija kaže da je ultraljubičasto zračenje moglo naterati molekule cijanida da reaguju, ali je upitno koliko je na ranoj Zemlji bilo cijanida. „Smatra se da su najraniji oblici života nastali iz vodonika i ugljen-dioksida a ne od cijanida, i hemijski putevi su potpuno različiti, tako da ne počinjete sa iste tačke sa koje i život“, ocenio je profesor Lejn, koji zastupa teoriju o hidrotermalnim otvorima.
Sedamdesetih godina 20. Veka, u okeanima su otkriveni hidrotermalni otvori ili pukotine iz kojih izlazi vrela voda bogata mineralima. Postalo je jasno da mrkli mrak nije prepreka da u njemu opstanu čitavi ekosistemi. Ono što ideju o hidrotermalnim otvorima čini još uzbudljivijom jeste to što pokazuje da život ne mora nužno da zavisi od sunčeve svetlosti, i da može da preživi čak i na mestima gde vladaju ekstremni uslovi, kao što su Jupiterovi ili Saturnovi meseci. Nik Lejn je jedan od onih naučnika koji veruju da su hidrotermalni otvori na dnu okeana verovatniji kandidat za titulu mesta gde je počeo život. „Hidrotermalni otvori obezbeđuju vodonik u velikim količinama, a mi mislimo da su rani okeani bili bogati ugljen-dioksidom, pa su otvori mogli da budu idealna laboratorija“, smatra profesor Lejn. Kada vodonik reaguje sa ugljen-dioksidom, nastaju karboksilne kiseline. Od njih je moguće napraviti lance masnih kiselina (koje su glavne komponente ćelijskih membrana) i amino-kiseline. Šupljine u centru hidrotermalnih otvora su mogle da imaju ključnu ulogu u ubrzavanju reakcije između vodonika i ugljen-dioksida.
Njegov tim je čak uspeo da stvori jednostavne protoćelije u okruženju sličnom hidrotermalnim otvorima. Lejn je odabrao masne kiseline i masne alkohole za koje se već zna da mogu da nastanu u hidrotermalnim uslovima, a tim je uspeo da ih natera da spontano izgrade rudimentarnu ćelijsku membranu. „Imamo dvoslojnu membranu i unutra je vodenasta materija. Otkrili smo da je zapravo to lakše učiniti u uslovima sličnim onima u hidrotermalnim otvorima. Potrebne su vam alkalnost, toplota i slana voda", zaključio je Nik Lejn.

Rani genetski kod života

Teorija „Svet RNK“ u stvari predstavlja koncept koji je 1962. postavio američki biolog i biofizičar Aleksander Rič. Iako molekul RNK koji se nalazi u svakoj ćeliji danas igra ključnu ulogu u pretvaranju instrukcija sadržanih u DNK u funkcionalne proteine u ćelijama, mnogi naučnici veruju da su na primordijalnoj Zemlji, molekuli RNK, koji su mogli da se repliciraju, obavljali mnoge poslove kojima se bave kasnije ćelije. Otkriće ribozima ili molekula RNK koji imaju ulogu katalizatora biohemijskih procesa (funkcionišu kao enzimi) podržava teoriju „svet RNK“ i pokazuje da je RNK zaista mogla da ostvari više uloga u ranim oblicima života. Hipoteza podrazumeva da je DNK nastala kasnije.
Ova teorija je danas skoro pa opšteprihvaćena među biohemičarima i genetičarima, jer je pogodna za eksperimentisanje. Ipak, hemičari iz Centra za medicinska istraživanja „Skrips“ u San Dijegu, 2020. godine načinili su otkriće koje daje podršku jednom iznenađujuće novom pogledu na nastanak života na Zemlji. U studiji objavljenoj u časopisu za hemiju „Angevandte Chemie“, oni su pokazali da jedno jednostavno jedinjenje, nazvano diamidofosfat (DAP), koje je verovatno bilo prisutno na Zemlji i pre nego što je nastao život, moglo da hemijski spoji dezoksinukleozide (gradivne blokove DNK) u lance primordijalne DNK. Bilo je to jedno u nizu otkrića koja ukazuju na mogućnost da su DNK i hemijski joj bliska rođaka RNK nastale zajedno, kao proizvodi sličnih hemijskih reakcija, i da su prvi samoreplicirajući molekuli - prvi oblici života na Zemlji - bili njihova mešavina.
Da li nas sve ovo približava razumevanju porekla života? Pa, sada imamo nekoliko mogućih objašnjenja kako su mogla da nastanu prva organska jedinjenja: energiju su mogle da obezbede munje, meteoriti ili hidrotermalni otvori. Ovo je važno i zato što uspešno oponašanje nastanka prvih jedinjenja, značajnih za nastanak života, može u izvesnoj meri da pokaže kako bi taj proces mogao da izgleda na i drugim mestima u Univerzuumu.

Dubravka Marić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"