Γη – Ζωή: Μήπως κάνουμε λάθος σχετικά με την προέλευση της ζωής;

Για σχεδόν εννέα δεκαετίες η αγαπημένη εξήγηση της επιστήμης για την προέλευση της ζωής είναι η «αρχέγονη σούπα». Είναι η ιδέα ότι η ζωή ξεκίνησε από μια σειρά χημικών αντιδράσεων σε μια θερμή λιμνούλα στην επιφάνεια της Γης, πυροδοτούμενη από μια εξωτερική πηγή ενέργειας, όπως το κτύπημα κεραυνού ή η υπεριώδης (UV) ακτινοβολία. Όμως πρόσφατη έρευνα ρίχνει το βάρος της σε μια εναλλακτική ιδέα, που είναι ότι η ζωή αναδύεται βαθιά στον ωκεανό μέσα σε θερμές, πετρώδεις δομές που ονομάζονται υδροθερμικοί πόροι.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε τον περασμένο μήνα στο Nature Microbiology και υποστηρίζει ότι ο τελευταίος κοινός πρόγονος όλων των ζώντων κυττάρων τρέφονταν με αέριο υδρογόνο σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε σίδηρο, που μοιάζει πολύ με αυτό μέσα στους πόρους. Οι υποστηρικτές της συμβατικής θεωρίας είναι επιφυλακτικοί ότι τα ευρήματα αυτά θα πρέπει να αλλάξουν την άποψή μας για την προέλευση της ζωής. Αλλά η υπόθεση του υδροθερμικού πόρου, που συχνά περιγράφεται ως εξωτική και αμφιλεγόμενη, εξηγεί πώς ανέπτυξαν τα ζώντα κύτταρα την ικανότητα να αποκτούν ενέργεια, με ένα τρόπο που δεν πρέπει να ήταν πιθανός στην αρχέγονη σούπα.

Σύμφωνα με τη συμβατική θεωρία, η ζωή υποτίθεται ότι ξεκίνησε όταν κεραυνός ή ακτίνες UV έγιναν αιτία απλά μόρια να ενωθούν σε περισσότερο σύνθετες ενώσεις. Αυτές καταλήγουν στη δημιουργία μορίων που αποθηκεύουν πληροφορία, όμοιες με το δικό μας DNA, που εγκαταστάθηκαν στο εσωτερικό προστατευτικών φυσαλίδων των πρωτόγονων κυττάρων. Εργαστηριακά πειράματα επιβεβαιώνουν ότι ίχνος ποσοτήτων μοριακών δομικών λίθων που αποτελούνται από πρωτεΐνες και μόρια που αποθηκεύουν πληροφορία μπορούν πράγματι να δημιουργηθούν κάτω από αυτές τις συνθήκες. Για πολλούς, η αρχέγονη σούπα υπήρξε το πιο αληθοφανές περιβάλλον για την προέλευση του πρώτου ζώντος κυττάρου.

Αλλά η ζωή δεν έχει μόνο σχέση με την αναπαραγωγή πληροφορίας αποθηκευμένης μέσα στο DNA. Όλα τα ζώντα πλάσματα πρέπει να αναπαράγονται για να επιβιώσουν, αλλά αντιγράφοντας το DNA, συναρμολογώντας νέες πρωτεΐνες και δομικά κύτταρα από το μηδέν απαιτεί τεράστιες ποσότητες ενέργειας . Στον πυρήνα της ζωής είναι οι μηχανισμοί της πρόσληψης ενέργειας από το περιβάλλον, που την αποθηκεύει και συνεχώς την διοχετεύει στις βασικές μεταβολικές αντιδράσεις του κυττάρου.

Από που προέρχεται αυτή η ενέργεια και πως γίνεται αυτό μπορεί να μας πει πολλά σχετικά με τις οικουμενικές αρχές που διέπουν την προέλευση και την εξέλιξη της ζωής. Πρόσφατες μελέτες όλο και περισσότερο υποστηρίζουν ότι η αρχέγονη σούπα δεν ήταν το σωστό είδος του περιβάλλοντος για να οδηγήσει τις ενεργειακές δραστηριότητες των πρώτων ζώντων κυττάρων. Είναι κλασική σχολική γνώση ότι όλη η ζωή στη Γη ενισχύεται από ενέργεια που παρέχεται από τον Ήλιο και συλλαμβάνεται από τα φυτά ή εξάγεται από απλές ενώσεις όπως το υδρογόνο ή το μεθάνιο. Πολύ λιγότερο γνωστό είναι το γεγονός ότι όλη η ζωή αξιοποιεί αυτή την ενέργεια με τον ίδιο και αρκετά περίεργο τρόπο.

Η διαδικασία αυτή λειτουργεί λίγο όπως ένα υδροηλεκτρικό φράγμα. Αντί της απευθείας ενίσχυσης των βασικών μεταβολικών αντιδράσεων, τα κύτταρα χρησιμοποιούν ενέργεια από τα τρόφιμα για να αντλήσουν πρωτόνια (θετικά φορτισμένα άτομα υδρογόνου) σε μια δεξαμενή πίσω από μια βιολογική μεμβράνη. Αυτό δημιουργεί αυτό που είναι γνωστό ως μια «βαθμίδα συγκέντρωσης» με μια υψηλότερης συγκέντρωσης πρωτονίων στη μια πλευρά από ότι στην άλλη. Τα πρωτόνια μετά ρέουν πίσω μέσω μοριακών τουρμπίνων που είναι ενσωματωμένες στην μεμβράνη, όπως το νερό που ρέει μέσω ενός φράγματος. Αυτό παράγει υψηλής ενέργειας ενώσεις που χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτήσουν τις υπόλοιπες δραστηριότητες του κυττάρου.

Η ζωή θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί για να αξιοποιεί οποιαδήποτε από τις αμέτρητες ενεργειακές πηγές που είναι διαθέσιμες στη Γη, από τη θερμότητα ή τις ηλεκτρικές εκφορτίσεις μέχρι τα φυσικά ραδιενεργά ορυκτά. Αντί αυτού, όλες οι μορφές ζωής οδηγούνται από διαφορές συγκεντρώσεων στις μεμβράνες των κυττάρων. Αυτό υποδεικνύει ότι τα πρώιμα ζώντα κύτταρα συνέλεγαν ενέργεια με ένα παρόμοιο τρόπο και ότι η ίδια η ζωή αναδύθηκε σε ένα περιβάλλον στο οποίο οι βαθμίδες πρωτονίων ήταν η πιο προσιτή πηγή ισχύος.

Η υπόθεση του πόρου

Πρόσφατες μελέτες, βασισμένες σε ομάδες γονιδίων που είναι πιθανό να ήταν παρόντα μέσα στα πρώτα ζώντα κύτταρα, εντοπίζουν την προέλευση της ζωής πίσω στους υδροθερμικούς πόρους της βαθιάς θάλασσας. Αυτοί είναι πορώδεις γεωλογικές δομές που παράγονται από χημικές αντιδράσεις μεταξύ στερεού πετρώματος και νερού. Αλκαλικά ρευστά από την επιφάνεια της Γης ρέουν επάνω από τους πόρους προς τα περισσότερο όξινα νερά των ωκεανών, δημιουργώντας διαφορές φυσικών συγκεντρώσεων πρωτονίων εντυπωσιακά παρόμοιες με αυτές που τροφοδοτούν όλα τα ζώντα κύτταρα.

Οι μελέτες υποστηρίζουν ότι στα πρώιμα στάδια της εξέλιξης της ζωής, οι χημικές αντιδράσεις στα πρωτογενή κύτταρα ήταν πιθανό να κατευθύνονταν από αυτές τις μη-βιολογικές βαθμίδες πρωτονίων. Τα κύτταρα μετά έμαθαν πώς να παράγουν τις δικές τους βαθμίδες και ξέφυγαν από τους πόρους για να αποικήσουν τον υπόλοιπο ωκεανό και τελικά τον πλανήτη.

Ενώ οι εισηγητές της θεωρίας της αρχέγονης σούπας υποστηρίζουν ότι ηλεκτροστατικές εκφορτίσεις ή η υπεριώδης ακτινοβολία του Ήλιου οδήγησαν τις πρώτες χημικές αντιδράσεις της ζωής, η σύγχρονη ζωή δεν τροφοδοτείται από καμιά από αυτές ευμετάβλητες πηγές ενέργειας. Αντί αυτών στον πυρήνα της παραγωγής ενέργειας της ζωής είναι οι βαθμίδες ιόντων από τις δυο πλευρές βιολογικών μεμβρανών. Τίποτα, ούτε κατά διάνοια παρόμοιο θα μπορούσε να προκύψει μέσα στις θερμές λιμνούλες του αρχέγονου ζωμού στην επιφάνεια της Γης. Σε αυτά τα περιβάλλοντα, χημικές ενώσεις και φορτισμένα σωματίδια τείνουν να διαλυθούν ομοιόμορφα αντί να διαμορφώνουν βαθμίδες ή καταστάσεις μακράν της ισορροπίας που είναι τόσο βασικό στοιχείο της ζωής.

Οι υδροθερμικοί πόροι της βαθιάς θάλασσας αντιστοιχούν στο μόνο γνωστό περιβάλλον που θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει σύνθετα οργανικά μόρια με το ίδιο είδος μηχανισμού αξιοποίησης της ενέργειας όπως τα σύγχρονα κύτταρα. Η αναζήτηση της προέλευσης της ζωής στην αρχέγονη σούπα είχε νόημα όταν λίγα ήταν γνωστά σχετικά με τις οικουμενικές αρχές ενεργειακών δραστηριοτήτων της ζωής. Όμως καθώς οι γνώσεις μας επεκτείνονται, είναι καιρός να ενστερνιστούμε εναλλακτικές υποθέσεις που αναγνωρίζουν τη σημαντικότητα της ενεργειακής ροής στην διαμόρφωση των πρώτων βιοχημικών αντιδράσεων. Αυτές οι θεωρίες γεφυρώνουν με σταθερότητα το χάσμα μεταξύ ενεργειακών δραστηριοτήτων των ζώντων κυττάρων με των μη-ζώντων μορίων.

Το άρθρο είναι του Arunas L Radzvilavicius, θεωρητικού βιολόγου στο University College London.

Πηγές: The Conversation και EarthSky

Περισσότερα στις εργασίες:

The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nature Microbiology.
και
Historical Development of Origins Research. Perspectives in Biology.