Začetak života : u moru ili na zemlji ?

Pažnju naučnika su oduvek okupirala pitanja: kako i gde, odnosno na koji način su na našoj planeti nastale prve ćelije koje su ujedno predstavljale i početak života nama danas poznatih organizama. Početkom 20. veka bio je prihvaćen stav da su se jednoćelijski organizmi pojavili negde u prostranstvima Svetskog okeana. Međutim, ovakav početak svih početaka opovrgavaju novi podaci. Prema rečima biofizičara – saradnika Univerziteta Osnabrik (Nemačka) i profesora Moskovskog državnog univerziteta (MGU) „M. V. Lomonosov“ Armena Mulkidžanjana i saradnika američkog Nacionalnog centra za biotehnološke informacije (NCBI) Jevgenija Kunjina – kolevka života bi mogla da se krije u geotermalnim izvorima.

Prvobitni ćelijski život na Zemlji je svoj razvoj najverovatnije započeo u toplim blatnim "džepovima" oko izvora vulkanske pare na kopnu, a ne u moru - navodi se u izveštaju nemačkih naučnika, koji na osnovu novih nalaza ocenjuju da je prvi period evolucije na našoj planeti bio znatno drugačiji nego što se to danas smatra.
Stručni tim Univerziteta u Osnabriku ukazuje da ti nalazi imaju kapitalan značaj za astrobiologiju, ali da se ipak ne mogu uzimati kao solucija koja razjašnjava početak razvoja životnih formi na našoj planeti.  U prastarim zemaljskim okeanima vladali su drugačiji uslovi nego u kasnijim periodima a  hemijski sastav morske vode bio je nepremostiva prepreka za opstanak prvobitnih ćelijskih organizama.

Do novih zaključaka naučnici su došli na osnovu proučavanja učešća i razmere dva hemijska elementa koja su veoma bitna za ćelijski metabolizam : kalijuma i natrijuma. Podsećajući da je svakoj živoj ćeliji za sintezu proteina neophodna velika količina kalijuma i da se u tom procesu natrijum ponaša kao blokator rada bazične molekularne "mašine", nemački tim ukazuje da su tadašnje ćelijske membrane bile tek na početku razvoja i da nisu raspolagale današnjim kompleksnim proteinskim strukturama koje višak natrijuma izbacuju napolje.
 S obzirom na činjenicu da u svakoj morskoj vodi ima neuporedivo više natrijuma nego kalijuma (i da je, povrh svega, ondašnji odnos ta dva elementa bio čak i veći od današnjih 40 : 1), jasno je da se popularna teza o nastanku života u moru suočava sa veoma velikim problemom - ukazuju stručnjaci. Oni napominju da bi tome trebalo dodati i jedan još veći problem, a to je nestabilnost složenih organskih jedinjenja u vodenoj sredini. Naime, naučnike koji pokušavaju da rekonstruišu evolutivni "prolog" već odavno frustrira činjenica da se kompleksni molekuli RNK i DNK (kao kiselinskih struktura koje su ključni faktor funkcionisanja i razvoja svake žive ćelije) brzo raspadaju u vodi, što već samo po sebi kompromituje okeanski scenario u razmatranju potencijalnih prvobitnih opcija.

Međutim, rešenje je došlo iz potpuno neočekivanog pravca. Šef univerzitetskog tima Armen Mulkidžanijan (Mulkidjanian) navodi da su biohemičare od te goleme "glavobolje" spasili geolozi, koji su tokom istraživanja u Jeloustonu utvrdili da se oko malih vulkanskih gejzira stvaraju tople potpovršinske "kace" blata sa visokim sadržajem vodene pare, kalijuma i drugih minerala neophodnih za ćelijski metabolizam. I to je bila svojevrsna "Eureka" za novu generaciju evolutivnih biologa. Mulkidžanijan kaže da su naučnici veoma dugo bili na pogrešnom pravcu evolutivne "istrage", upravo zato što su unapred otpisivali kopnene vulkanske "dimnjake" kao potencijalno povoljnu sredinu za opstanak primitivnih organizama - a sve to zbog činjenice da tlo i vazduh oko termalnih izvora danas po pravilu sadrže visok procenat sumporne kiseline (H2SO4), krajnje otrovnog jedinjenja koje nemilice razara svaki organski materijal. Iako mikrobiolozi poslednjih godina pronalaze bakterije koje mogu da opstanu u ekstremno negostoljubivim sredinama, uključujući i sredine sa visokim procentom prisustva H2SO4, suština dugotrajne naučne zablude je u nečem drugom. Nemački stručnjak ukazuje na sasvim neverovatnu činjenicu da nijedna studija do sada nije ozbiljno tretirala činjenicu da su izvori vulkanske pare na ranoj Zemlji predstavljali sasvim drugačiju sredinu nego danas ; naime, čak i početnicima u nauci dobro je znano da u tadašnjoj atmosferi skoro i da nije bilo kiseonika, čiji je spoj sa opakim vodonik-sulfidom (H2S) neophodan za stvaranje sumporne kiseline ! Tokom početnog perioda evolucije, najveći procenat atmosfere su činili elementi koji su poticali od gigantskih vulkanskih erupcija (pretežno ugljen-dioksid i ugljen-monoksid, uz značajne količine vodene pare, sumpor-dioksida, amonijaka i metana), dok je udeo kiseonika iznosio NAJVIŠE jedan procenat. Progresivno uvećavanje koncentracije tog vitalno važnog evolutivnog elementa započelo je tek docnije, kada je aktivnost takozvanih cijanobakterija počela radikalno da menja sastav atmosfere i kada su globalni biološki procesi već uveliko uzeli maha. Mulkidžanijan dodaje da je to klasičan primer one neobjašnjive "slepe tačke" u uvek sistematičnom, obuhvatnom i detaljnom naučnom znanju.

U studiji se navodi da novi nalazi pokazuju da je hemijski sastav fluida unutar membrana nekadašnjih primitivnih ćelija veoma sličan sastavu kondenzovane pare koja je izdvojena iz uzoraka termalnog blata - preciznije, iz dubljeg sloja u kojem kiseonik i vodonik-sulfid još nemaju priliku da formiraju kapljice opasne kiseline. I to je još jedan preloman rezultat koji, po svemu sudeći, isključuje "okeansku" opciju sa liste početnih scenarija. S obzirom na činjenicu da su prvobitne ćelije bile krhke i vrlo propusne strukture koje su u pogledu hemijske "hrane" bile prepuštene milosti i nemilosti okolne sredine, logično je zaključiti da njihova potreba za visokim iznosom kalijuma realno odgovara zastupljenosti tog elementa u tadašnjem tlu ; a to se, naravno, ne bi odnosilo na stenje ili morsko dno kao na surove, hemijski siromašne i u to doba vrlo otrovne sredine, nego upravo na termalno blato. Ta vrsta zemljišta je zbog prisustva vulkanske pare uvek jako vlažna, a istovremeno zasićena raznim mineralima i drugim metabolički važnim elementima među kojima je kalijum zastupljen u visokom iznosu - napominje Mulkidžanijan. On dodaje da u svakom hipotetičnom modelu početne biološke opcije to predstavlja fizički mnogo podesniju i hemijski znatno bogatiju sredinu od morske vode. Prema njegovim rečima, viskozno i "sluzavo" vulkansko blato je bilo jedina sredina koja je u ključnom periodu od pre 4,3 do 3,8 milijardi godina mogla da garantuje opstanak prvih živih ćelija - jer, ni okeani ni druge eventualno pogodne sredine tada još nisu imali povoljnu hemijsku strukturu koja bi posedovala neophodnu srazmeru osnovnih elemenata za održanje ćelijskog metabolizma.

Izvanredno otkriće nemačkih naučnika moglo bi dovesti do radikalne izmene naučnih stavova o početnom periodu evolucije života na našoj planeti - ali i ne samo na njoj. S jedne strane, postoji izvestan istorijski paradoks u razmatranju posledica tih nalaza po naučnu vizuru korena evolucije. Naime, zaključci stručnjaka iz Osnabrika u mnogo čemu predstavljaju povratak na prvobitnu tezu Čarlsa Darvina da je život mogao nastati iz, kako je veliki Englez voleo da kaže, "malog toplog jezerceta" bogatog osnovnim sastojcima. Ako je paradoks ipak prejaka reč, onda svakako ima dosta ironije u činjenici da je evolutivna nauka, uprkos neverovatnom tehnološkom i teorijskom razvoju u proteklih 150 godina, u međuvremenu prešla pun krug da bi se vratila (manje-više) na početnu poziciju.

Sa druge strane, iako nova rekonstrukcija znatno sužava broj izvodljivih opcija u periodu početka razvoja prvih životnih formi na našoj planeti, ona ima potpuno drugačiji efekat na širem kosmičkom planu: jer, ne samo što biohemijsku opciju potencijalno proširuje na sve planete koje imaju iole gustu atmosferu i izvore vulkanske pare na površini (a što, prema novim podacima, nije nimalo redak slučaj u ekstrasolarnim sistemima), nego i na sve dokazane "sejače" složenih organskih jedinjenja kao što su komete i asteroidi. Nedavni senzacionalni nalazi iz uzoraka meteorita sa Antarktika i iz Južnog Sudana dokazali su da ta tela ne samo da mogu biti nosioci najkompleksnijih organskih struktura (uključujući i RNK i DNK !), nego i da specifičan sastav gasova u njima omogućava aminokiselinama i drugim složenim jedinjenjima da najpre prežive put kroz ekstremno hladan kosmički prostor, a potom i zagrevanje do "kremirajućih" 1.100 stepeni prilikom ulaska u Zemljinu atmosferu. Ukoliko ta izuzetna otkrića dovedemo u vezu sa novom verzijom Darvinove "blatne" hipoteze, onda to znači da smo veoma veliki broj planeta i sličnih kosmičkih tela de fakto uvrstili u klasu prirodnih biohemijskih "laboratorija" prvog reda ; a kada tu kategoriju pridružimo ogromnom broju tela koja raspolažu obiljem svih agregatnih stanja vode (koja je daleko najpovoljniji medijum za složene hemijske i organske procese), onda smo gotovo neizmeran broj sredina u CELOM svemiru označili kao potencijalne kandidate za razvoj bioloških procesa. (izvor )

________________________________________

                                             INTERVJU

___________________________

                                             

Profesore Mulkidžanjan, Vi ste zaslužni za jednu od najvećih senzacija u savremenoj nauci – to je nova teorija o postanku života. Ona u stvari ruši osnovu svih osnova. Kao što znamo, do sada se smatralo, i mnogi naučnici su to prihvatali kao datost, da je život nastao u okeanu. Vi ste sa druge strane ukazali na to da je život mogao nastati negde drugde, kao na primer na vrelim mineralnim izvorima. Da li biste mogli da nam to malo pojasnite?

Armen Mulkidžanjan: Savremeni organizmi nose informacije ne samo o svojim precima nego i o svetu u kome su obitavali ti njihovi preci. Svet se vremenom menjao, a organizmi nisu uvek bili u stanju da mu se prilagode pa zato ima mnogo neusaglašenosti između biohemije živih organizama i hemije njihovog okruženja.
Konkretno, hemijski sastav unutarćelijske tečnosti (citoplazme) nije nimalo blizak morskoj ili slatkoj vodi. Morska voda sadrži 40 puta više jona natrijuma nego kalijuma, dok je unutar ćelija nasuprot tome kalijuma mnogo više nego natrijuma. Pošto je taj višak kalijuma unutar ćelija važan za rad mnogih enzima, a isto tako i za sintezu proteina, morski organizmi troše ogromnu energiju na izbacivanje nepotrebnih jona natrijuma.
Hemijski sastav citoplazme životinjskih ćelija utvrđen je 1920-ih. S obzirom da sada znamo začuđujuću činjenicu da je hemijski sastav citoplazme približno jednak kod svih živih organizama – životinja, biljaka i bakterija, logično je pretpostaviti da je takva bila i citoplazma zajedničkog pretka svih ćelijskih organizama. Prema savremenim shvatanjima, taj predak je morao da poseduje membrane koje propuštaju male molekule i jone da bi se na taj način nalazio u hemijskoj ravnoteži sa svojim okruženjem. Polazeći od toga, zajedno sa Andrejem Bičkovom, geohemičarem sa Moskovskog državnog univerziteta „M. V. Lomonosov“, postavili smo pitanje: da li na Zemlji danas postoje mesta sa hemijskim sastavom sličnim onome koji ima citoplazma? Ispostavilo se da kondenzat pare na geotermalnim poljima na kojima iz zemlje izbija vrela para, ali ne i voda, ima sastav sličan citoplazmi.

Barice koje se stvaraju od takvog kondenzata pare sadrže više kalijuma nego natrijuma, a uz to i visoke koncentracije jona prelaznih metala i fosfata. Vraćajući se na temu o „vrelim mineralnim izvorima“, želeo bih da naglasim da u tom slučaju kondenzat pare ne bi mogao da bude vruć. On se brzo hladi i obično bude malo hladniji od vazduha. To je vrlo važno pošto prvobitni, inače vrlo osetljivi organizmi ne bi mogli da podnesu visoke temperature.

Profesore,  koliko savremenoj nauci jasnija shvatanja o postanku života mogu da doprinesu? Kakvu praktičnu korist bi takva saznanja mogla da pruže na primer u oblasti medicine?

A. M.: Naša istraživanja će u ovom slučaju pomoći da razjasnimo zašto je jonska razmena preko ćelijskih membrana neophodna. Uz bolje razumevanje svojstava i uslova u kojima su prvi ćelijski organizmi obitavali, mi dajemo objašnjenje same prirode hemijskog sastava citoplazme. Problem održavanja tog sastava je svakako za ljude isto toliko značajan koliko i za morske organizme.

Hemijski sastav krvi i limfe je sličan morskoj vodi.

 hemijski sastav krvi

belančevine (60 – 80 g/L)
trigliceridi (0,8 – 2,00 μmol/L)
fibrinogen (2 – 4 g/L)
natrijum (135 – 151 μmol/L)
holesterol (3,5 – 6,7 μmol/L)
glukoza (4,2 – 6,4 μmol/L)
urea (1,7 – 7,6 μmol/L)
kalijum (3,8 – 5,5 μmol/L)
kalcijum (2,2 – 2,7 μmol/L)
bilirubin (4 – 20 μmol/L)

Pošto su naše ćelije okružene ili krvlju ili limfom, njihove pumpe troše na ispumpavanje (izbacivanje) jona natrijuma iz ćelije i na upumpavanje (usvajanje) jona kalijuma u ćeliju skoro trećinu energije kojom ona raspolaže. Sada shvatamo, a i za sve je dobro da znaju – zašto u organizam treba unositi manje soli, kao i to zašto je korisno voće i povrće bogato kalijumom: na taj način se rasterećuju jonske pumpe naših ćelija. Za ćelije je isto tako važan i sadržaj drugih hemijskih elemenata. Nedavna istraživanja su, na primer, pokazala da na visoku stopu smrtnosti dece u određenim oblastima centralne Afrike ne utiče toliko nedostatak hrane koliko nizak nivo cinka u zemljištu pa prema tome i njegov manjak u njihovoj ishrani, tako da je na hiljade života moguće spasti jednostavno davanjem deci prilično dostupnih tableta sa cinkom.

Profesore,  kako se u savremenoj nauci tumači „postanak života“? Da li se pojavljuju neke nove ideje? Kada ćemo uspeti da dobijemo konačan odgovor na to pitanje?

A. M.: Na tom polju se u poslednjih nekoliko godina desilo mnogo toga interesantnog. Eksperimentalna istraživanja u oblasti „postanka života“ obično se svode na pokušaje da se dođe do spontanog obrazovanja važnih molekula za život (kao što su nukleotidi i peptidi) od prostijih „gradivnih elemenata“. Sve donedavno naučnici su vršili svoje eksperimente u morskoj vodi ili u njenim ekvivalentima, polazeći od ideje da je život nastao u okeanu (zašta, uzgred da napomenemo, nema nikakvih dokaza). Pošto takav pristup nije dao posebne rezultate, nekoliko grupa hemičara odlučilo je da problem rešava na obrnut način, naime, pokušali su da pronađu sredinu u kojoj bi spontano mogli da se obrazuju biološki molekuli. I takvu sredinu su uspeli da pronađu – u pitanju je koncentrovani vodeni rastvor formamida.

Prilikom njegovog zagrevanja ili osvetljavanjem ultraljubičastim zracima obrazuju se biološki molekuli, pa čak i njihovi polimeri. Molekul formamida je vrlo jednostavan, on sadrži po jedan atom ugljenika, azota i kiseonika, kao i tri atoma vodonika – upravo one elemente od kojih se sastoje živi organizmi. Ispostavilo se da formamid ima jednu osobinu koja bi mogla da uzrokuje njegovo nagomilavanje u velikim količinama na praistorijskoj Zemlji. Temperatura ključanja formamida je 200°C, prema tome u svakom okruženju gde je dolazilo do isparavanja, formamid ukoliko je bio prisutan, morao je da se nagomilava. Jasno je da u okeanu formamid ni u kojim uslovima ne bi mogao da se nagomila. Iz tog razloga je vrlo sporna pretpostavka da se život pojavio u okeanu.
Za nas je izuzetno važno da geotermalna para sadrži jedinjenja koja mogu da obrazuju formamid. To znači da sredina obrazovanja prvih biomolekula koju su rekonstruisali hemičari sasvim odgovara uslovima na drevnim geotermalnim poljima. Isparavanje geotermalnog kondenzata je moralo pratiti obrazovanje formamida, kao i nagomilavanje fosfata i organskih jedinjenja na površini minerala. Zbog toga je sasvim logično pretpostaviti da se život upravo tamo pojavio, a kasnije i prvi ćelijski organizmi. Zato sa posebnom pažnjom pratimo istraživanja u ovoj oblasti. (izvor Ruski tekst na sajtu S&T RF.)

________________________________________

 

                                                                         ARHIVA