Έχουμε, όπως υποστηρίζει ο Rowan Hooper, κοιτάξει τη φύση με λάθος τρόπο. Αν σταματήσουμε να εστιάζουμε στο άτομο, αποκτούμε μια εντελώς νέα εικόνα για το πώς μπορεί να ξεκίνησε η ζωή στη Γη — και αλλού.
Όπου κι αν διαβάζετε αυτό το κείμενο, κοιτάξτε γύρω σας. Κάθε ζωντανό πλάσμα που βλέπετε — άλλους ανθρώπους, κατοικίδια, πουλιά που περνούν, δέντρα, λουλούδια, μανιτάρια, ψάρια — υπάρχει χάρη σε ενώσεις ανάμεσα σε διαφορετικά είδη. Κλασικά παραδείγματα είναι οι λειχήνες, που συνήθως αποτελούνται από φύκη και μύκητες, ή οι κοραλλιογενείς σχηματισμοί, που φτιάχνονται από φύκη και ζωικά συστατικά. Όμως αυτά τα παραδείγματα υποτιμούν πόσο βαθιά και πόσο μακριά φτάνει η συμβίωση.
Στο νέο μου βιβλίο, Togetherness, υποστηρίζω ότι η συμβίωση — που σημαίνει «ζω μαζί» — έχει παραμεριστεί στην ερμηνεία μας για τη βιολογία και την οικολογία. Δεν θεωρώ απλώς κρίμα που δεν έχει εκτιμηθεί όσο της αξίζει. Πιστεύω ότι η αναγνώρισή της είναι απαραίτητη για να καταλάβουμε ποιοι είμαστε και πώς φτάσαμε ως εδώ.
Η σύνθετη ζωή — όλα όσα βλέπετε γύρω σας — υπάρχει μόνο χάρη σε μια βαθιά μορφή κυτταρικής συμβίωσης, και όλα τα φυτά βασίζονται στη συμβίωση για να αναπτυχθούν και να παράγουν όλη την τροφή που τρώμε. Αυτό όμως δεν αναγνωρίζεται ευρέως. Από πριν ακόμη ο Κάρολος Δαρβίνος δημοσιεύσει τη θεωρία της εξέλιξης, και ακόμη περισσότερο μετά, δώσαμε έμφαση στον ρόλο του ανταγωνισμού στην εξέλιξη της ζωής, τροφοδοτημένοι από την ιδέα της φύσης ως «κόκκινης στα δόντια και στα νύχια».
Αυτό που δεν περίμενα να ανακαλύψω γράφοντας το βιβλίο είναι ότι η αυξανόμενη κατανόηση αυτής της «μαζί» πλευράς της ζωής, και ο τρόπος με τον οποίο μας αναγκάζει να δούμε τον κόσμο αλλιώς, βοηθά να απομυθοποιηθεί ένα από τα μεγαλύτερα και παλαιότερα ερωτήματα της επιστήμης: πώς ξεκίνησε η ζωή; Η εικόνα που διαμορφώνεται είναι έτοιμη να αλλάξει τον ορισμό μας για το τι είναι ζωή — και να επηρεάσει την αναζήτηση εξωγήινης ζωής.
Ένας ολόκληρος νέος κόσμος από μικροσκοπικά όντα αμφισβητεί θεμελιώδεις ιδέες για τη ζωή
Η προσπάθεια να αποκωδικοποιηθεί πώς εξελίχθηκαν τα πρώτα κύτταρα έχει μακρά ιστορία. Ο Δαρβίνος δίσταζε να κάνει δημόσιες υποθέσεις για την προέλευση της ζωής, όμως το 1871 έγραψε στον φίλο του Joseph Hooker: «Αλλά αν (& ω, τι μεγάλο αν) μπορούσαμε να φανταστούμε σε μια ζεστή μικρή λίμνη, με κάθε είδους αμμωνία και φωσφορικά άλατα, με φως, θερμότητα, ηλεκτρισμό [κ.λπ.] παρόντα, ότι σχηματίστηκε χημικά μια πρωτεϊνική ένωση, έτοιμη να υποστεί ακόμη πιο σύνθετες αλλαγές».
Κάθε μήνα, ο Michael Marshall παρουσιάζει τις πιο πρόσφατες ειδήσεις και ιδέες για τους αρχαίους ανθρώπους, την εξέλιξη, την αρχαιολογία και πολλά ακόμη.
Η ιδέα της «ζεστής μικρής λίμνης» ήταν ελκυστική και πειστική, όμως σήμερα θεωρείται απίθανο να υπήρξε η κοιτίδα της ζωής. Αντίθετα, μεγάλο μέρος του σημερινού ενδιαφέροντος στρέφεται στους υδροθερμικούς αεραγωγούς του βυθού. Οι μικροσκοπικοί πόροι στα πετρώματα λειτουργούν σαν έτοιμα κύτταρα, ενώ η ένταση ανάμεσα στο καυτό αλκαλικό νερό που εκλύεται από τους αεραγωγούς και στο πιο κρύο, όξινο θαλασσινό νερό δημιουργεί μια ηλεκτροχημική κλίση που θα μπορούσε να τροφοδοτεί βιοχημικές αντιδράσεις. Με άλλα λόγια, θα μπορούσε να τροφοδοτεί τη ζωή.
«Οι εσωτερικοί πόροι των αεραγωγών έχουν δομές που μοιάζουν με κύτταρα, με ηλεκτρικά φορτισμένες καταλυτικές επιφάνειες, ενώ η συνεχής ροή δίνει συνεχή αντιδραστικότητα», λέει ο βιοχημικός Nick Lane από το University College London, ένας από τους κορυφαίους ερευνητές για την προέλευση της ζωής.
Οι υδροθερμικοί αεραγωγοί του βυθού θεωρείται ότι είναι το σημείο όπου ξεκίνησε η ζωή στη Γη. Alexis Rosenfeld/Getty Images
Οι υδροθερμικοί αεραγωγοί του βυθού θεωρείται ότι είναι το σημείο όπου ξεκίνησε η ζωή στη Γη
Alexis Rosenfeld/Getty Images
Αυτό που μου αρέσει σε αυτή την ιδέα είναι ότι παίρνει τη διαίσθηση μερικών από τους μεγάλους επιστήμονες του παρελθόντος και τη μετατρέπει σε μια υπόθεση που μπορεί να ελεγχθεί. Το 1866, ο Ernst Haeckel, ο «Γερμανός Δαρβίνος», πρότεινε ότι η ζωή προέκυψε απευθείας από την αβιοτική ύλη, από ανόργανα υλικά. Το 1944, ο φυσικός Erwin Schrödinger έγραψε ότι η ζωή εξελίχθηκε ώστε να συνδέεται στενά με το περιβάλλον της και, στη δεκαετία του 1960, ο μικροβιολόγος Carl Woese υπέθεσε ότι η ζωή εξελίχθηκε μέσα σε μια χαλαρά οργανωμένη κοινότητα, με «πρωτοκύτταρα» που αντάλλασσαν ελεύθερα μόρια.
Έπειτα, το 1985, ο φυσικός Freeman Dyson πήρε την ιδέα του Schrödinger και τη συνέδεσε με το πρωτοποριακό έργο της μικροβιολόγου Lynn Margulis. Η Margulis συγκέντρωσε στοιχεία που έδειχναν με σαφήνεια ότι τα σύνθετα κύτταρα των φυτών, των ζώων και των μυκήτων προήλθαν από μια αρχαία πράξη συμβίωσης ανάμεσα σε δύο απλούστερα κύτταρα. Η συμβίωση στη βιολογία χρησιμοποιείται για να περιγράψει δύο διαφορετικά είδη που ζουν στενά μαζί για σημαντικό χρονικό διάστημα.
Με αφετηρία αυτό, ο Dyson πρότεινε ότι η ζωή είχε δύο προελεύσεις. Πρώτα εμφανίστηκαν πρώιμες εκδοχές κυττάρων που ονομάζονται πρωτοκύτταρα, μέσα στα οποία άρχισαν οι μεταβολικές διεργασίες — οι βιοχημικές αντιδράσεις που προσφέρουν ενέργεια. Αργότερα, κατά τη σκέψη του, εμφανίστηκε ο τρόπος αποθήκευσης γενετικής πληροφορίας που θα μπορούσε να λειτουργεί ως αντιγραφέας: μια αλυσίδα RNA. Αυτές οι δύο μορφές προ-ζωής, έλεγε, ενώθηκαν μέσα από μια διαδικασία που μοιάζει με συμβίωση.
Σήμερα, αυτές οι ιδέες μπαίνουν σε δοκιμασία. Για να δω πώς γίνεται αυτό, επισκέφθηκα το εργαστήριο του Lane, για να παρακολουθήσω πώς ο ίδιος και οι συνεργάτες του μιμούνται τις πιθανές συνθήκες στην προέλευση της ζωής και αρχίζουν να δημιουργούν τα δικά τους πρωτοκύτταρα. «Ψάχνουμε για ένα περιβάλλον», λέει ο Lane, «όπου η γεωχημεία δίνει ομαλά τη θέση της στη βιοχημεία» — όπου η αβιοτική ύλη περνάει σταδιακά στη ζωή.
Η Feixue Liu εξηγεί σε φοιτητές πώς χρησιμοποιείται ο «αναερόβιος» θάλαμος του εργαστηρίου, χωρίς οξυγόνο, για μελέτες σχετικά με την προέλευση της ζωής. Nick Lane
Η Feixue Liu εξηγεί σε φοιτητές πώς χρησιμοποιείται ο «αναερόβιος» θάλαμος του εργαστηρίου, χωρίς οξυγόνο, για μελέτες σχετικά με την προέλευση της ζωής.
Στο εργαστήριο, η Feixue Liu προσπαθεί να αναπαραγάγει ένα από τα πρώτα στάδια του μεταβολισμού: την αντίδραση του διοξειδίου του άνθρακα με το υδρογόνο για τη δημιουργία απλών οργανικών ενώσεων, όπως το formate και το acetate. Μου δείχνει το σε σχήμα Υ όργανο που χρησιμοποιεί για να προσομοιώσει έναν υδροθερμικό αεραγωγό.
«Στη μία πλευρά του Υ βάζουμε ωκεάνιο ρευστό και στην άλλη υγρό από τον αεραγωγό», μου λέει. «Με αυτόν τον τρόπο προσπαθούμε να μιμηθούμε το αρχαίο υδροθερμικό περιβάλλον». Όλα γίνονται μέσα σε θάλαμο ελεγχόμενης ατμόσφαιρας, χωρίς οξυγόνο, μια φούσκα της αρχαίας Γης πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Ένα τσιπ ανιχνεύει κάθε οργανικό μόριο που παράγεται από τη ροή.
Η τάση των μορίων να αυτοσυναρμολογούνται ήταν, για μένα, μία από τις πιο εντυπωσιακές πρόσφατες ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα — ιδιαίτερα το γεγονός ότι οι ίδιες οι μεταβολικές διεργασίες προκύπτουν αυθόρμητα. Έχουν τεθεί σε λειτουργία πριν από την εμφάνιση της ζωής.
Οι βιοχημικοί μιλούν για μόρια που κινούνται προς ένα θερμοδυναμικό ελάχιστο. Έτσι περιγράφουν τη «στάση ηρεμίας» των μορίων. Αυτό σημαίνει ότι μόρια, ακόμη και πολύπλοκα, μπορούν να σχηματιστούν απλώς επειδή αυτό είναι που «θέλουν» να κάνουν οι χημικές και μοριακές δομές. Όπως μια μπάλα στην κορυφή ενός λόφου κυλά προς τα κάτω επειδή εκεί είναι το φυσικό σημείο που «θέλει» να βρεθεί, έτσι και τα μόρια «θέλουν» να ακολουθήσουν προτιμώμενες βιοχημικές και θερμοδυναμικές διαδρομές. Γι’ αυτό και τα δομικά στοιχεία των νουκλεοτιδίων για το RNA και το DNA μπορούν να σχηματιστούν αυθόρμητα, ακόμη και σε αστεροειδείς. Γι’ αυτό και αρκετά πολύπλοκες μεταβολικές διαδρομές μπορούν να εμφανιστούν χωρίς την καθοδήγηση γονιδίων. Αυτές οι μεταβολικές αντιδράσεις είναι οι πρώτες αχτίδες ζωής.
Αυθόρμητος σχηματισμός DNA
Η πιο πειστική ένδειξη είναι το εύρημα ότι μια μεταβολική διαδρομή που χρησιμοποιείται σε όλες τις μορφές ζωής προϋπήρξε των γονιδίων που την κωδικοποιούν. «Σκεφτόμαστε τον μεταβολισμό ως κάτι γενετικά κωδικοποιημένο», λέει ο Lane, «αλλά η δουλειά της τελευταίας δεκαετίας δείχνει ότι στην πραγματικότητα είναι αυθόρμητη χημεία, ένα δίκτυο θερμοδυναμικά ευνοημένων αντιδράσεων». Η οδός του ακετυλο-συνενζύμου A είναι ο αρχαιότερος και απλούστερος τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα απελευθερώνουν ενέργεια και χρησιμοποιείται από όλες τις γνωστές μορφές ζωής. Ο Bill Martin στο Πανεπιστήμιο του Ντίσελντορφ στη Γερμανία έδειξε ότι η οδός αυτή φαίνεται να είναι παλαιότερη από τα ένζυμα που την καταλύουν και επίσης παλαιότερη από τα γονίδια που κωδικοποιούν αυτά τα ένζυμα: πρώτα ήρθε η οδός και στη συνέχεια ακολούθησαν τα γονίδια.
Γνωρίζουμε επίσης ότι, υπό τις σωστές συνθήκες — όπως μέσα στην προστασία ενός ορυκτού κυττάρου σε έναν υδροθερμικό αεραγωγό — το ενεργειακό μόριο ATP, το τριφωσφορικό αδενοσίνη, μπορεί να σχηματιστεί αυθόρμητα. Σε όλα τα κύτταρα, από τα βακτήρια έως τις γαλάζιες φάλαινες, το ATP είναι το καθολικό νόμισμα ενέργειας. Αυτό που υποδηλώνει είναι ότι η ζωή είναι διαμορφωμένη πάνω σε αντιδράσεις που ήδη συνέβαιναν φυσικά.
«Δεν είναι το τι παράγεται, αλλά το πώς αυτό μπορεί να εξηγήσει την προέλευση της ζωής», λέει ο συνεργάτης του Lane, Stuart Harrison.
Ο Dyson πίστευε ότι οι μεταβολικές διεργασίες που συνέβαιναν στο πρωτοκύτταρο έθεταν το σκηνικό για μια «εισβολή» από το RNA. Αυτό που προτείνουν αντίθετα ο Harrison, ο Lane και οι συνεργάτες τους έχει μια ιδιαίτερη χρηστικότητα. Διαπίστωσαν ότι τυχαία νουκλεοτίδια που σχηματίζονται στο κοινό «ζουμί» του πρωτοκυττάρου μπορούν να λειτουργήσουν ως πρότυπα για τη δημιουργία πεπτιδίων, των αλυσίδων αμινοξέων που σχηματίζουν τις πρωτεΐνες.
Η ιστορία της κατοπτρικής ζωής: Από μια συναρπαστική ιδέα σε πρωτοφανή απειλή
Έχουν διατυπωθεί σοβαρές προειδοποιήσεις για τους κινδύνους δημιουργίας μορφών ζωής με κατοπτρικά μόρια. Πόσο πρέπει να ανησυχούμε;
«Τώρα έχετε πληροφορία που, ναι, αρχικά είναι τυχαία, αλλά αυτή η πληροφορία μεταφράζεται χαλαρά σε λειτουργία», λέει ο Harrison. Με άλλα λόγια, σε ένα πρωτοκύτταρο — όπου ξέρουμε ότι υπάρχει μια μορφή μεταβολισμού και μια πηγή ενέργειας — μπορεί να προκύψει αυτόματα η βάση για να λειτουργήσει ένας γενετικός κώδικας. Και αυτό σημαίνει ότι η φυσική επιλογή μπαίνει σε κίνηση.
«Αν έχεις λειτουργία και κληρονομείς αυτό το κομμάτι πληροφορίας [μέσω ενός γονιδίου], τότε ίσως είναι πιο πιθανό να επιβιώσεις και η φυσική επιλογή αρχίζει να συμβαίνει πραγματικά», λέει ο Harrison.
Το παράδοξο της προέλευσης της ζωής
Αυτό το μονοπάτι προς τη ζωή βοηθά να παρακαμφθεί ένα κλασικό πρόβλημα στις μελέτες για την προέλευση της ζωής, γνωστό ως παράδοξο της κληρονομικότητας. Το παράδοξο είναι ότι, για να υπάρξει γενετική κληρονομικότητα, χρειάζεσαι αυτό που οι γενετιστές ονομάζουν μετάφραση: έναν τρόπο να μετατρέπεται η πληροφορία από το γενετικό υλικό σε πρωτεΐνη. Τα κύτταρα το κάνουν αυτό μέσω μιας πολύπλοκης γραμμής παραγωγής, στην οποία ένα μοριακό μηχάνημα που ονομάζεται ριβόσωμα δημιουργεί πρωτεΐνες από αμινοξέα. Για να υπάρξει όμως αυτό το σύστημα, χρειάζεσαι εξέλιξη, και δεν μπορείς να έχεις εξέλιξη χωρίς κληρονομικότητα.
Κι αν, όμως, υπάρχει κάποιο είδος μετάφρασης που μπορεί να συμβεί πριν από όλο αυτό το μηχανικό σύστημα, και να γίνεται απλώς φυσικά, χωρίς ένζυμα; ρωτά η Raquel Nunes Palmeira, επίσης στο University College London. «Μπορείς να έχεις εξέλιξη χωρίς να έχεις όλη αυτή την πλήρη μηχανή».
Η Nunes Palmeira, ο Lane και οι συνεργάτες τους μοντελοποίησαν πώς θα μπορούσε να συμβεί αυτό και διαπίστωσαν ότι τυχαίες αλληλουχίες RNA, φτιαγμένες από νουκλεοτιδικές μονάδες, μπορούν πράγματι να «στερεοποιηθούν» σε ξεχωριστά γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες με συγκεκριμένη λειτουργία: την ενίσχυση της ανάπτυξης του πρωτοκυττάρου. Για να λειτουργήσει η φυσική επιλογή, χρειάζεσαι κληρονομικότητα, ποικιλότητα και διαφοροποιημένη επιτυχία, και το μοντέλο δείχνει ότι τα μήκη RNA που κωδικοποιούν την ανάπτυξη του πρωτοκυττάρου — όπως η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε οργανικές ενώσεις — εμφανίζονται πρώτα.
Έχουμε μικρόβια τόσο παράξενα, που αλλάζουν το ίδιο το δέντρο της ζωής
Νέες μορφές ζωής που ανακαλύπτονται μέσα στο σώμα μας επηρεάζουν βαθιά την υγεία μας — και δίνουν μια ματιά στη μεγάλη και μυστηριώδη βιολογική «σκοτεινή ύλη» μέσα μας
«Σε σχέση με την ιδέα του Dyson, εδώ το RNA και το πρωτοκύτταρο δεν είναι ξεχωριστά άτομα», λέει η Nunes Palmeira. Το RNA δεν είναι εισβολέας-παράσιτο, αλλά αναπόσπαστο μέρος των μεταβολικών διεργασιών που συμβαίνουν στο πρωτοκύτταρο.
Αυτό μοιάζει περισσότερο με όσα φανταζόταν ο Woese ότι συνέβησαν στην προέλευση της ζωής. Και εκείνος είχε προτείνει ότι η μετάφραση θα προέκυπτε φυσικά, ότι οι πρωτεΐνες θα παράγονταν από τυχαία θραύσματα RNA, επειδή υπάρχουν χημικές συγγένειες ανάμεσα στα νουκλεοτίδια και στα αμινοξέα.
Είναι πολύ σημαντικό να υπάρχει αυτό το πλαίσιο, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι βρισκόμαστε ένα βήμα πριν από την αναπαραγωγή της προέλευσης της ζωής στο εργαστήριο. Και ακόμη κι αν κάποια μέρα δημιουργήσουμε ένα λειτουργικό, αναπαραγόμενο πρωτοκύτταρο, αυτό δεν σημαίνει ότι δείξαμε πώς εξελίχθηκε η ζωή, προειδοποιεί ο Harrison. «Θα υπάρχει πάντα ένα ερωτηματικό», λέει. «Έχουμε λύσει την προέλευση της ζωής ή έχουμε λύσει μια προέλευση;» Υπάρχουν πολλές εναλλακτικές υποθέσεις για το πώς προέκυψε η ζωή.
Εξωγήινη ζωή
Υπάρχει όμως ένας τρόπος να ελεγχθεί αν ένα πλαίσιο για τη δημιουργία πρωτοκυττάρων είναι σωστό. «Μπορείς να κοιτάξεις σε άλλους πλανήτες», λέει η Nunes Palmeira, για να δεις αν η χημεία οδηγεί σε μεταβολισμό με παρόμοιο τρόπο. Μπορούμε να κοιτάξουμε…
