Știința nu are, deocamdată, un răspuns clar la o întrebare fundamentală: Cum a apărut viața pe Terra? Avem, în schimb, multe ipoteze. Rezultate științifice publicate în ultima vreme încep să contureze răspunsuri. Unele dintre ele, așa cum veți vedea, sunt neașteptate.
Ipoteza Oparin Haldane
Sovieticul Oparin și britanicul Haldane presupun că viața a apărut dintr-o ”supă” primordială, care s-a format la câteva sute de milioane de ani după formarea planetei noastre. În prima etapă, atmosfera terestră avea o atmosferă reducătoare.. În această atmosferă, sub acțiunea diverselor surse de energie, au început să se formeze molecule organice simple. Acești compuși s-au acumulat de-a lungul timpului în oceanele primordiale formând o ”supă” bogată în molecule organice. În această ”supă”, în anumite zone, cum ar fi izvoarele hidrotermale, se declanșează reacții chimice din care rezultă compuși organici complecși, după care, reacțiile chimice devenind din ce în ce mai complexe, apar primele organisme monocelulare. Conform lui Oparin, moleculele organice complexe din supa primitivă s-au autoorganizat formând structuri numite coacervate de către savantul rus. Mai târziu, ele au început să devină din ce în ce mai specializate, devenind, în cele din urmă, organisme monocelulare.
Ipoteza aceasta a fost verificată experimental, mai puțin partea cu apariția primelor organisme monocelulare. Este vorba aici despre faimosul experiment Miller-Urey, realizat în 1952 și ale cărui rezultate au fost publicate în revista Science anul următor. Se cuvine să fac o precizare, deși se vorbește despre experimentul Miller-Urey, de fapt el a fost realizat doar de către Stanley Miller, pe atunci cercetător la Universitatea din Chicago. Harold Urey a fost cel care a supervizat cercetarea. Harold Miller a realizat un dispozitiv experimental relativ simplu, în care s-a încercat reconstituirea condițiilor din vremea de început a planetei noastre. Pentru aceasta au folosit un balon din sticlă cu volumul de cinci litri în care a introdus gaz metan, amoniac și hidrogen. Acest balon era conectat la un alt balon din sticlă, care avea volumul de 0,5 l și care era plin pe jumătate cu apă. Apa din balonul mic a fost încălzită, pentru a produce evaporarea ei. Vaporii de apă puteau ajunge, prin intermediul unui tub din sticlă, în balonul cel mare. Aici se declanșau descărcări electrice continue, care simulau fulgerele din atmosfera terestră. Balonul mare era conectat la un sistem de răcire, care producea condensarea gazelor. Lichidul era colectat într-un tub de sticlă în formă de U. După o zi, soluția colectată căpătase culoarea roz, iar după o săptămână soluția s-a colorat în roșu intens. Analizele efectuate de Miller asupra lichidului au dus la identificarea a cinci aminoacizi. Așa cum știți, aminoacizii sunt cărămizile fundamentale ale vieții.
Experimentul Miller-Urey a fost reluat de-a lungul timpului, folosindu-se diferite compoziții de gaze pentru a simula atmosfera primordială. Însuși Miller a realizat o versiune a propriului său experiment în care a inclus și gaze rezultate în urma activității vulcanice. În 2008, o analiză efectuată de către o echipă de cercetători americani asupra eșantioanelor rezultate în urma experimentelor lui Miller din anii 1950, în care se simula prezența în atmosferă a gazelor generate de vulcani, care a fost publicată în revista Science anunța identificarea a 22 de aminoacizi.
Lumea ARN
În 1986, Walter Gilbert, a emis ipoteza conform căreia codul genetic pe Terra a apărut mai întâi sub forma moleculelor de proto-ARN, după care, în urma unor procese evolutive, au apărut moleculele de ADN.
Ipoteza era îndrăzneață, dar în timp, a început să aibă din ce în ce mai mulți susţinători. Nu au întârziat să apară și experimente care o confirmau.
Unul dintre ele a fost prezentat pe 11 mai 2022 în revista Nature sub forma unui articol, intitulat ”A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world”. În rezumatul lucrării autorii se exprimă foarte plastic: ”Conceptul lumii ARN este unul dintre cei mai fundamentali piloni a teoriei originii vieții. El prezice că viața a evoluat de la molecule ARN auto-replicante din ce în ce mai complexe. Întrebarea este cum acest ARN a avansat către nivelul următor, în care proteinele devin catalizatoarele vieții iar ARN-ul și-a redus funcția predominantă la stocarea informației. Această întrebare este una dintre cele mai misterioase enigme de tip oul și găina din teoria evoluției.”
Pentru a fi produsă o anumită proteină, genele corespunzătoare ei sunt copiate prin intermediul ARN mesager (ARNm). ARNm ajunge la ribozomi, unde este citit iar informația conținută în el este convertită în proteine prin intermediul ARN-ului de transfer, care transportă aminoacizii necesari pentru asamblarea lor conform planului înscris în codul genetic. Procesul acesta, pe care l-am simplificat foarte mult, nu putea apărea din neant și este foarte puțin probabil ca el să fi existat în urmă cu câteva miliarde de ani, deoarece legăturile chimice între aminoacizi și ARNt sunt slabe. În absența adăpostului oferit de ribozom, moleculele de apă rup aceste legături mai înainte ca fragmentele de proteină (peptide) să se poată forma.
Thomas Carell, cercetător la Universitatea Ludwig-Maximilians din München, Germania și conducătorul echipei care a realizat cercetarea de care aminteam mai devreme, și-a pus o întrebare simplă: Ce ar fi dacă ARN-ul ar fi folosit un alt mecanism pentru asamblarea proteinelor?
Plecând de la această idee Carell, împreună cu echipa sa, și-a îndreptat atenția către legături chimice mai puternice care ar fi putut supraviețui condițiilor primordiale. Cercetătorii au studiat niște molecule cărora nu li s-au acordat prea multă atenție, care se numesc nucleotide necanonice. Vă reamintesc că ARN-ul are informația scrisă cu ajutorul a patru baze (Adenină, Guanină, Citozină și Uracil), dar nucleotide cu alte baze sunt de asemenea prezente în moleculele de ARN. Aceste nucleotide neobișnuite se pot atașa la aminoacizi cu legături chimice mult mai puternice decât cele care apar în mod normal între aminoacizi și moleculele de ARNt.
De altfel, în 2018, Carell a publicat un articol în Angewandte Chemie International Edition în care semnala faptul că nucleotidele clasice și cele necanonice ar fi putut evolua în același timp, mai înainte de apariția vieții. Unele dintre acestea erau prezente în ARN-ul de transfer și cel ribozomal al strămoșului universal al tuturor organismelor. Pentru Quanta Magazine, Carell explica: ”există relicve ale lumii ARN. Atunci ne-am zis, e ok, astea sunt fosilele noastre. Hai să vedem ce ne pot spune aceste fosile”.
Carell a imaginat un experiment în care două lanțuri ARN aveau plasate la unul din capete nucleotidele neobișnuite, despre care vă vorbeam mai devreme. De aceste nucleotide necanonice erau legate câte un aminoacid. Unul dintre lanțurile ARN era donor, iar celălalt era acceptor. Inițial cele două lanțuri ARN erau conectate între ele. Prin încălzire, legătura chimică între aminoacidul și nucleotida necanonică de pe ARN-ul donor se rupea, astfel încât pe ARN-ul acceptor avem acum doi aminoacizi. Cred că vă puteți imagina restul experimentului. Prin răciri și încălziri succesive ale sistemului, de ARN-ul acceptor se atașau tot mai multe molecule de aminoacizi, formându-se astfel o peptidă, adică un fragment de proteină.
Carell afirma că experimentul a fost ”obositor” și ”un brutal tur de forță”. În urma lui cercetătorii au reușit să obțină peptide compuse din până la 13 aminoacizi. Vreau să subliniez că nu avem de-a face cu un proces biologic ci unul ce ține mai degrabă de chimia organică. Peptidele nu erau produse conform unui plan, cum se întâmplă în cazul celulelor vii, ci într-un mod cu totul aleator. Totuși, experimentul lui Carell reprezintă un argument important pentru susținerea ipotezei lumii ARN. Acum mai avem o întrebare…
Cum a apărut ARN-ul?
Un posibil răspuns l-am găsit în ediția din iunie 2022 a revistei Astrobiology, în articolul intitulat ”Catalytic Synthesis of Polyribonucleic Acid on Prebiotic Rock Glasses”.
Povestea acestei lucrări a început atunci când Stephen Mojzsis, geolog la Universitatea Colorado Boulder, s-a gândit că că ar fi posibil ca sticla vulcanică (cum este obsidianul) ar putea fi implicată în apariția lanțurilor lungi de ARN. Aceste roci sunt bogate în metale, cum ar fi magneziul și fierul, care favorizează numeroase reacții chimice. Mojzsis a trecut repede la fapte. A trimis cinci eșantioane de diferite sticle vulcanice către Fundația pentru Evoluția Moleculară Aplicată (Foundation for Applied Molecular Evolution). Aici ele au fost preluate de către biologul molecular Elisa Biondi. Împreună cu colegii ei, au sfărâmat fiecare eșantion, până la adus la stare de pulbere. A urmat o sterilizare riguroasă a pudrei obținute, după care a pudra a fost introdusă într-o soluție de nucleozide trifosfate (nu intru în detalii, aceste molecule sunt precursoarele ADN-ului și ARN-ului). În proba martor, în care nu se găsea sticlă bazaltică, nu s-a întâmplat absolut nimic, așa cum era de așteptat. În schimb, în flacoanele în care sticla vulcanică era prezentă, procesul de polimerizare a început imediat, ajungând ca numai după câteva săptămâni să se obțină lanțuri ARN lungi de câteva sute de litere. Nu a fost nevoie de condiții speciale. Elisa Biondi: ”Tot ceea ce am avut de făcut a fost să așteptăm”. Și mai este ceva ce trebuie subliniat neapărat. Iată ce spunea Steven Benner, unul dintre coautorii studiului: ”Dacă viața a apărut pe Terra prin acest proces simplu, atunci este posibil ca același lucru să se fi întâmplat și pe Marte”.
Totuși, studiul despre care v-am vorbit cu atât optimism ridică mai multe probleme. În primul rând nu explică cum au apărut nucleozidele trifosfate. Benner susține că există ceretări recente care ar demonstra că sticla vulcanică ar juca un rol important și în formarea lor.
O altă problemă importantă a fost semnalată de Jack Szostak, cercetător la Universitatea Harvard. În celulele moderne, anumit enzime fac ca ARN-ul să se prezinte sub forma unui lung lanț liniar.
Dar literele ARN-ului se pot organiza și sub o formă ramificată complexă. În studiul despre care v-am povestit nu există o analiză detaliată asupra formei lanțurilor de ARN formate în timpul experimentului. Szostak: ”Pentru mine este foarte frustrant faptul că autorii care au făcut această descoperire interesantă s-au grăbit cu publicarea, urmărind mai degrabă mediatizarea, decât știința.”
Elisa Biondi recunoaște că în experiment au apărut aproape sigur mici ramificaţii ale ARN-ului. Totuși, ea a ținut să sublinieze că ARN ramificat există în anumite organisme și el ar fi putut să fie prezent la începuturile vieții. Ea a mai subliniat că alte teste efectuate de către echipa sa a au confirmat existența unor lanțuri lungi de ARN, ceea ce ar putea indica faptul că sunt liniare.
Este interesantă această dezbatere științifică. Noi, ca simpli spectatori, o vom urmări cu tot interesul. Dar, iată că de curând am mai primit o știre neașteptată legată de subiectul nostru…
Alfabetul vieții venit din spațiu
Pe 26 aprilie 2022, în revista Nature Communications era publicat un articol cu un titlu, aparent, complicat: ”Identifying the wide diversity of extraterrestrial purine and pyrimidine nucleobases in carbonaceous meteorites”. La o primă lectură a abstractului lucrării am fost cuprins de entuziasm. Cercetătorii au analizat eșantioane din meteoriți de tip condrit carbonic și au descoperit ”o diversitate de materii organice exogene de origine meteoritică, inclusiv nucleobaze, care ar fi putut ajunge pe Pământ în perioada bombardamentului greu târziu (4,0-3,8 miliarde de ani)”. Poate că e bine să vă reamintesc că nucleobazele sunt tocmai literele care stau la baza codului genetic. Echipa de cercetători, compusă din specialiști japonezi și americani, a studiat eșantioane din meteoriții Murchinson (a căzut în 1969 în apropierea orașului australian cu același nume), Murray (a căzut în 1950 în Kentucky, SUA) și Tagish (a căzut în 2000 în Canada). Analizele chimice sau făcut cu ajutorul cromatografiei lichide de mare performanță cuplată cu spectrometria de masă de înaltă rezoluție.
Pentru site-ul ScienceNews, Yasuhiro Oba, geochimist la Universitatea Hokkaido și coordonator al studiului amintit mai devreme, explica astfel tehnicile folosite: ”Metoda noastră de detecție are o sensibilitate cu câteva ordine de mărime mai mare decât cele folosite în studiile anterioare.” Cercetătorii și-au îndreptat atenția către moleculele organice heterociclice care conțin azot în fiecare dintre cei trei meteoriți. Pentru extragerea lor s-a folosit apa, în timp ce în determinările anterioare se folosea acidul formic cald. Asta a permis conservarea compușilor organici fragili.
Vreau să vă mai reamintea ceva, deși sună oarecum tehnic. Există două tipuri de nucleobaze în ADN și ARN: nucleobaze pirimidinice, formate dintr-un singur ciclu heterociclic cu șase atomi, dintre care doi de azot (Citozina, Uracilul și Timina) și nucleobaze purinice, alcătuite din două heterocicluri formate din cinci și, respectiv șase atomi (Adenina și Guanina). Către sfârșitul anilor 1960 cercetătorii au identificat în meteoriți urme ale elementelor constitutive ale ADN-ului și ARN-ului. Până la lucrarea publicată în revista Nature Communications nu fuseseră identificate Citozina și Timina. Acum, iată, avem identificate în meteoriți toate cele cinci litere ale alfabetului genetic. În studiul amintit, se presupune că nucleobazele au fost generate prin reacții fotochimice în mediul interstelar care au fost preluate de către asteroizi o dată cu formarea Sistemului Solar. Diversitatea de nucleobaze meteoritice identificate sugerează că ele ar fi putut servi drept cărămizi de construcție pentru ADN-ul și ARN-ul de pe Pământul primitiv.
Cercetătorii nu s-au mulțumit doar cu analiza eșantioanelor de meteoriți. Au dorit să vadă dacă nu cumva avem de-a face cu o contaminare terestră. Din acest motiv au analizat și solul de unde au fost prelevați. Pentru anumiți compuși detectați concentrația din meteoriți era mai mare decât cea din mediul înconjurător, ceea ce sugerează că aceștia provin din surse extraterestre. Pentru alți compuși, cum ar fi Citozina și Uracilul, concentrația în sol era de până la 20 de ori mai mare decât cea din meteoriți. Asta l-a făcut pe chimistul Michael Callahan, cercetător la Universitatea de sat din Boise, statul Idaho, SUA, să declare pentru site-ul LiveScience, că datele obținute nu sunt suficient de convingătoare pentru a susține că nucleobazele au o origine extraterestră, putând fi rezultatul unei contaminări. Oba a răspuns acestei opinii subliniind faptul că au fost identificați și alți compuși care confirmă corectitudinea concluziilor prezentate în studiul din revista Nature Communications. Este vorba despre detectarea a mai mult de 12 compuși esențiali pentru viață, în special izomeri pentru cele cinci baze nucleice. Deoarece acești izomeri (compuși chimici organici care au aceași formulă chimică, dar o altfel de dispunere a atomilor) nu au fost identificați în sol, ci doar în meteoriți, se poate exclude posibilitatea unei contaminări terestre.
Nu sunt în măsură să favorizez vreuna din afirmațiile de mai sus. Le-am consemnat ca atare. Dar pot să vă spun că trebuie să mai avem puțintică răbdare, până când vor fi analizate, cu metoda descrisă în lucrarea din Nature Communications, eșantioanele colectate de sonda Hayabusa 2 de pe asteroidul Ryugu, aduse pe Terra în decembrie 2020 și eșantioanele colectate de sonda OSIRIS-Rex, care vor sosi pe Terra în septembrie 2023.
Încheiere
Cred că oamenii de știință ai zilelor noastre vor îndepărta, măcar parțial, ceața misterului care învăluie apariția vieții pe Terra. Optimismul meu mă îndeamnă să cred că, nu peste mulți ani, vom avea dovezi despre existența, în trecut sau în prezent, a vieții pe Marte. Trebuie să fim cu toții pregătiți, asemenea descoperiri vor avea implicații profunde, atât științifice, cât și filosofice.
