Pochodzenie życia jest z pewnością jednym z najważniejszych pytań w biologii. W jaki sposób martwe molekuły dały początek „niekończącej się ilości najpiękniejszch form", które możemy dzisiaj podziwiać i kiedy wydarzenie to miało miejsce? Jedne z najpopularniejszych teorii zakładają, że życie zaczęło się w piekielnych otchłaniach, w otworach hydrotermalnych pod powierzchnią morza, które wyrzucały potwornie gorącą wodę z wnętrza ziemi. Nowe badanie sugeruje jednak alternatywne rozwiązanie, rozwiązanie, które wydaje się być po drugiej stronie bieguna (celowa gra słów) od owych gorących ujść — lód.

Podobnie jak gorące ujścia, lodowe pola wydają się niezbyt intuicyjnie prawdopodobną lokalizacją dla pochodzenia życia — trudno je dzisiaj nazwać gościnnym środowiskiem. Jednak według Jamesa Attwatera z Uniwersytetu Cambridge lód posiada odpowiednie właściwości do napędzania wzrostu molekuł „replikatorów", które potrafią tworzyć kopie samych siebie, zmieniać się i ewoluować.

Myśląc o takich replikatorach, od razu przychodzi na myśli molekuła, która jest w zasadzie synonimem życia — DNA. Jednak świat niezależnych DNA nie ma sensu, ponieważ te przesławne molekuły niewiele mogą zdziałać same. DNA potrzebuje specjalnych białek, aby mógł się sam reprodukować, a w zamian udostępnia plan tworzenia białek. Zatem ani DNA ani białka nie są zdolne do wyewoluowania bez siebie nawzajem.

Problem jajka i kury wydaje się bardzo irytujący; rozpływa się jednak, gdy rozważymy inną molekułę zwaną RNA. Dzisiaj, informacje RNA kopiowane są z informacji zakodowanych w DNA, a następnie tłumaczone na białka. Jednak RNA jest czymś więcej niż tylko zwyczajnym pośrednikiem; w rzeczywistości zasługuje prawdopodobnie na zajęcie centralnego podium.

Od lat 80-tych stało się aż nadto oczywiste, że RNA jest bardziej niż zdolne do odgrywania roli obojga swoich rodziców. Podobnie jak DNA, przechowuje informacje w formie czterech „liter" (nukleotydy) ułożonych w określonej kolejności. Jednakże w przeciwieństwie do sławnej podwójnej helisy swojego krewnego, RNA występuje zazwyczaj jako pojedyncza spirala, która może się zginać w skomplikowane kształty. Wiele z nich może przyspieszyć reakcje chemiczne w taki sam sposób, jak robią to białka. Molekuły RNA, które to robią, zwane są rybozymami i są nawet zdolne do przyspieszenia produkcji samego RNA.

Zatem RNA może przechowywać informacje, przyspieszać reakcje chemiczne i tworzyć kopie samych siebie bez zewnętrznej pomocy. Także ewoluuje — włóż go do menzurki z odpowiednimi surowcami oraz źródłem energii, a w końcu będzie się miał coraz lepiej, kopiując sam siebie. Zdolność tę po raz pierwszy zademonstrował w 1972 Sol Spiegelman, a niesamowicie efektywny RNA, który powstał, znany był pod dramatyczną nazwą potwora Spiegelmana.

W RNA znajdujemy prawdopodobnego kandydata na oryginalną molekułę replikującą, z której wywodzi się całe życie. Koncepcja ta została zręcznie podsumowana przez laureata nagrody Nobla Waltera Gilberta, gdy ukuwał termin „Świat RNA". Jest to niesamowicie działająca na wyobraźnię fraza, która przynosi na myśl planetę ewoluujących molekuł RNA, które poprzedzają późniejszą rewolucję DNA.

Ale unikatowe właściwości fizyczne  RNA to nie wszystko. Molekuła ta jest także bardzo delikatna i szybko niszczeje, jeżeli warunki nie są odpowiednio łagodne. Musi także być w pewien sposób skoncentrowana. Molekuły, które same się kopiują, muszą być trzymane w tym samym miejscu, co składające się na nie chemikalia; jeżeli części zostaną rozproszone, całość nigdy się nie połączy. Zatem RNA może mieć odpowiednie właściwości, ale potrzebuje stabilnej i zamkniętej przestrzeni, aby uczynić świat RNA prawdziwym. Attwater uważa, że lód udostępnia taką przestrzeń.

Na pierwszy rzut oka wygląda to na dziwaczną ideę. Na początek, niskie temperatury mogą spowolnić wiele rekcji chemicznych. Białka, które składają się na molekuły RNA przestają pracować, gdy są zamrożone. Ale pamiętajcie, że RNA w formie rybozymów może przyspieszać swoją własną kreację bez żadnych białek. Attwater odkrył, że jeden z takich rybozomów zwany R18 jest ciągle aktywny w temperaturach poniżej zera. W rzeczywistości lód stabilizuje rybozymy zapobiegając przed ich rozpadem. W lodzie rybozym był wolniejszy niż w temperaturze pokojowej, ale również pracował dłużej. W wyniku tego był bardziej produktywny tworząc dłuższy RNA z tą samą dokładnością.

Jeden problem z głowy, ale zostaje fakt, że lód jest zbitą masą. Możesz myśleć, że blokowałoby to molekuły przed kontaktowaniem się między sobą. Lód nie jest jednak całkowicie zbity. Na poziomie mikroskopowym istnieje skomplikowana sieć wijących się między kryształkami lodu kanałów i przestrzeni, które nie zamarzają całkowicie.

Woda w tych przestrzeniach jest słona; gdy otaczające ją molekuły zamarzają, wszelkie rozpuszczone zanieczyszczenia zostają wypchnięte i koncentrują się w pozostałej cieczy. Attwater odkrył, że proces ten o 200 razy zwiększa koncentrację jonów, nukleotydów i innych chemikaliów znajdujących się w przestrzeniach wypełnionych cieczą. Przyspiesza to pracę rybozymów i z nadwyżką rekompensuje spowalniający przemiany chłód.

Przestrzenie wypełnione cieczą umożliwiają wszystko, co molekuły RNA potrzebują, aby efektywnie się reprodukować. W tych najbliżej położonych przestrzeniach reakcje chemiczne nie zależą od kaprysów otwartych przestrzeni. Skoncentrowane molekuły posiadają wysokie prawdopodobieństwo, aby wpadać na siebie nawzajem i są zbyt wolne aby się rozproszyć.

Oczywiście taki scenariusz ma jedynie możliwość zostać zrealizowanym, jeżeli na prymitywnej Ziemi znajdowało się sporo lodu. Attwater rysuje obrazy zamarzniętych jezior i mniejszych zbiorników wodnych, ale dziesięć lat temu brzmiałoby to nieprawdopodobnie. Uczeni jednogłośnie zakładają, że w okresie młodości naszej planety temperatury na lądach i w oceanach były bardzo gorące. Jednak w przeciągu ostatniej dekady rozmaite badania zasugerowały, że wczesny klimat pozwalał na większe zróżnicowanie temperatur, co umożliwiało obecność lodu.

Nie oznacza to jeszcze twierdzenia, że życie rozpoczęło się w lodzie. Attwater pokazał, że lód umożliwia odpowiednie warunki dla zaistnienia "zimnego świata RNA". Obecnie istnieje niewiele na to dowodów; po prostu uważamy, że jest to możliwe.

Istnieją także inne miejsca, które umożliwiają zaistnienie podobnych warunków, włączając otwory hydrotermalne, o których wspominałem na początku. One również mogą koncentrować molekuły w skalnych komorach, a ich wysokie temperatury są dobrodziejstwem dla wielu chemicznych reakcji. Phil Holliger, który nadzorował badania Attwatera, wskazuje na to, że otwory hydrotermalne mają wysokie temperatury i wysokie stężenia metali ciężkich, które przyspieszają rozpad RNA. „Trudno je sobie wyobrazić, jako miejsca, gdzie oparte na RNA życie mogłoby powstać lub rozkwitać" — powiada.

Idea otworów hydrotermalnych poparta jest dekadami badań. Bill Martin z Uniwersytetu w Duesseldorf uważa, że są one najbardziej prawdopodobną alternatywą. W następujący sposób wypowiada się o pracy Attwatera: „Zakładam, że są to interesujące eksperymenty, ale dziury w lodzie mają tyle do czynienia z pochodzeniem życia, co elektryczny toster".

Ostatecznie, jak pisałem tydzień temu w poście dotyczącym pochodzenia skomplikowanych komórek, można przewidzieć, że te pytania sprowokują debatę. Jak przyznaje Holliger: „Faktyczne wydarzenia dotyczące pochodzenia życia są nieznane i prawdopodobnie niepoznawalne. To co można zbadać, to jedynie przypuszczenia i związane z nimi teorie".

Źródło: Nature Communications

Tekst oryginału.

Not Exactly Rocket Science, 21 września 2010r.