Πώς γεννήθηκε η ζωή;

Michael Marshall

Η επιστήμη βρίσκεται όλο και πιο κοντά στη στιγμή που η ζωή «αναπήδησε» στη Γη;

Τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια πριν, η επιφάνεια ενός νεοσχηματισμένου πλανήτη που κινείται γύρω από ένα μεσαίου μεγέθους άστρο αρχίζει να ψύχεται. Το μέρος είναι βίαιο, βομβαρδίζεται από μετεωρίτες και τραντάζεται από ηφαιστειακές εκρήξεις ενώ η ατμόσφαιρά του είναι γεμάτη τοξικά αέρια. Μόλις όμως το νερό αρχίζει να σχηματίζει λίμνες και ωκεανούς στην επιφάνειά του, συμβαίνει κάτι εκπληκτικό. Ενα μόριο- ή ίσως μια ομάδα μορίων- ικανό να αντιγράψει τον εαυτό του κάνει την εμφάνισή του.

Αυτή ήταν η αρχή της εξέλιξης. Από τη στιγμή που οι πρώτες αυτοαντιγραφόμενες οντότητες εμφανίστηκαν, η φυσική επιλογή ξεκίνησε ευνοώντας τους απογόνους που είχαν παραλλαγές οι οποίες τους έκαναν καλύτερους στην αυτοαντιγραφή. Τα υπόλοιπα ανήκουν στην Προϊστορία.

Δισεκατομμύρια χρόνια μετά, κάποιοι από τους απογόνους αυτών των πρώτων κυττάρων εξελίχθηκαν σε οργανισμούς αρκετά νοήμονες ώστε να αναρωτιούνται πώς ακριβώς έμοιαζαν αυτοί οι πρώτοι-πρώτοι πρόγονοί τους. Ποια μόρια έκαναν την αρχή;

Από τη δεκαετία του 1960 μερικοί από αυτούς τους νοήμονες οργανισμούς άρχισαν να υποπτεύονται ότι τα πρώτα αυτοαντιγραφόμενα μόρια αποτελούνταν από RΝΑ, έναν στενό εξάδελφο του DΝΑ. Η ιδέα αυτή παρουσίαζε πάντα ένα τεράστιο πρόβλημα- δεν υπήρχε γνωστός τρόπος με τον οποίο τα μόρια του RΝΑ θα μπορούσαν να σχηματιστούν στην πρωτογενή Γη. Και αν τα μόρια του RΝΑ δεν μπορούσαν να σχηματισθούν αυθόρμητα, πώς θα μπορούσαν να εμφανιστούν τα αυτοαντιγραφόμενα κύτταρα του RΝΑ; Μήπως κάποιος άλλος αντιγραφέας είχε προηγηθεί; Αν ναι, ποιος ήταν αυτός; Η απάντηση αρχίζει επιτέλους να σχηματίζεται σιγά-σιγά.

Οταν οι βιολόγοι άρχισαν για πρώτη φορά να διερωτώνται πώς εμφανίστηκε η ζωή, το ερώτημα έμοιαζε άλυτο. Σε όλους τους σημερινούς ζωντανούς οργανισμούς η σκληρή δουλειά γίνεται από τις πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες μπορούν να στρίψουν και να διπλωθούν σε μια απίστευτη ποικιλία σχημάτων, οπότε μπορούν να κάνουν σχεδόν τα πάντα, όπως το να ενεργούν ως ένζυμα, ουσίες που δρουν ως καταλύτες σε μια τεράστια σειρά χημικών αντιδράσεων. Ωστόσο οι πληροφορίες που χρειάζονται για την παραγωγή των πρωτεϊνών είναι αποθηκευμένες στα μόρια του DΝΑ. Δεν μπορεί κανείς να παραγάγει νέες πρωτεΐνες χωρίς DΝΑ και δεν μπορεί να παραγάγει DΝΑ χωρίς πρωτεΐνες. Ποιο ήρθε λοιπόν πρώτο, οι πρωτεΐνες ή το DΝΑ;

Η ανακάλυψη στη δεκαετία του 1960 ότι το RΝΑ μπορούσε να διπλώσει όπως οι πρωτεΐνες, αν και όχι σε τόσο σύνθετες δομές, υπεδείκνυε μια απάντηση. Αν το RΝΑ μπορούσε να δρα ως καταλύτης σε αντιδράσεις και να αποθηκεύει πληροφορίες, κάποια μόριά του θα μπορούσαν ενδεχομένως να παραγάγουν περισσότερα μόρια RΝΑ. Αν κάτι τέτοιο συνέβαινε, οι αντιγραφείς του RΝΑ δεν θα είχαν ανάγκη τις πρωτεΐνες. Θα μπορούσαν να τα κάνουν όλα μόνοι τους.

Η ιδέα ήταν ελκυστική αλλά την εποχή εκείνη ήταν μόνο μια εικασία. Κανείς δεν είχε αποδείξεις ότι το RΝΑ θα μπορούσε να ενεργήσει ως καταλύτης αντιδράσεων όπως τα ένζυμα. Το πρώτο ένζυμο RΝΑ ανακαλύφθηκε μόλις το 1982, ύστερα από δεκαετίες ερευνών. Ο Τόμας Τσεκ του Πανεπιστημίου του Κολοράντο στο Μπόλντερ το εντόπισε στο Τetrahymena thermophila, έναν παράξενο μονοκύτταρο οργανισμό.

Στη συνέχεια τα πράγματα κύλησαν γρήγορα. Ολο και περισσότερα ένζυμα RΝΑ ανακαλύπτονταν σε ζωντανούς οργανισμούς ή δημιουργούνταν στο εργαστήριο. Το RΝΑ δεν ήταν τόσο καλό στην αποθήκευση πληροφοριών όσο το DΝΑ, επειδή ήταν λιγότερο σταθερό, ούτε τόσο ευέλικτο όσο οι πρωτεΐνες, αποδεικνυόταν όμως μόριο-«μπαλαντέρ». Αυτό έδωσε τεράστια ώθηση στην ιδέα ότι η πρώτη ζωή αποτελείτο από μόρια RΝΑ- τον λεγόμενο «κόσμο του RΝΑ», όπως τον ονόμασε ο βιοχημικός του Χάρβαρντ Γουόλτερ Γκίλμπερτ πριν από 25 χρόνια.

Αυτοί οι αντιγραφείς RΝΑ ενδέχεται ακόμη και να προέβαιναν σε ένα είδος σεξ. Το ένζυμο που ανακάλυψε ο Τσεκ δεν ήταν ένας απλός καταλύτης αντιδράσεων. Ηταν ένα μικρό τμήμα RΝΑ που μπορούσε να αποκοπεί από μια μεγαλύτερη αλυσίδα. Η αντιστροφή αυτής της αντίδρασης θα μπορούσε να προσθέσει RΝΑ στις αλυσίδες, κάτι το οποίο σημαίνει ότι οι αντιγραφείς RΝΑ ίσως μπορούσαν να ανταλλάσσουν τμήματα με άλλα μόρια RΝΑ- ικανότητα η οποία θα μπορούσε να επιταχύνει σημαντικά την εξέλιξη.

Για πολλούς βιολόγους το αποστομωτικό επιχείρημα ήρθε το 2000, όταν ανακαλύφθηκε η δομή των εργοστασίων παραγωγής των πρωτεϊνών μέσα στα κύτταρα. Η σχετική μελέτη επιβεβαίωνε ότι στην καρδιά αυτών των εργοστασίων βρίσκεται ένα ένζυμο RΝΑ- και αν οι πρωτεΐνες φτιάχνονται από RΝΑ, τότε σίγουρα το RΝΑ πρέπει να ήρθε πρώτο.

Παρ΄ όλα αυτά ορισμένα ζητήματα παρέμεναν. Κατ΄ αρχήν ήταν ασαφές αν το RΝΑ μπορούσε πραγματικά να αυτοαντιγραφεί. Σήμερα το DΝΑ και το RΝΑ χρειάζονται τη βοήθεια πολλών πρωτεϊνών για να δημιουργήσουν αντίγραφά τους. Αν υπήρξε ποτέ κάποια αυτοαντιγραφόμενη μορφή, αυτή έχει εξαφανιστεί προ πολλού. Οι βιοχημικοί βάλθηκαν λοιπόν να δημιουργήσουν μία, παίρνοντας τυχαία RΝΑ και εξελίσσοντάς τα για πολλές γενιές ώστε να δουν τι θα συμβεί.

Από αυτή τη διεργασία το 2001 προέκυψε ένα ένζυμο RΝΑ, το R18, το οποίο μπορούσε να συνδέσει 14 νουκλεοτίδια- τα δομικά στοιχεία του RΝΑ και του DΝΑ- σε ένα υπάρχον μόριο RΝΑ χρησιμοποιώ ντας ένα άλλο RΝΑ ως πρότυπο. Κάθε αυτοαντιγραφόμενο RΝΑ ωστόσο πρέπει να παράγει RΝΑ που να είναι τουλάχιστον τόσο μακρύ όσο το ίδιο. Το R18 απέχει πολύ από κάτι τέτοιο. Περιλαμβάνει 189 νουκλεοτίδια, αλλά το μακρύτερο RΝΑ που μπορεί να κατασκευάσει περιλαμβάνει μόλις 20.

Μια μεγάλη πρόοδος σημειώθηκε εφέτος όταν ο Φίλιπ Χόλιγκερ του Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας του Συμβουλίου Ιατρικών Ερευνών του Κέιμπριτζ της Βρετανίας και οι συνάδελφοί του παρουσίασαν ένα ένζυμο RΝΑ, το tC19Ζ. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει αντίγραφα αλληλουχιών RΝΑ που έχουν ακόμη και 95 γράμματα, μήκος σχεδόν το μισό από το δικό του.

Οι βιολόγοι πλησιάζουν λοιπόν σιγά-σιγά στη δημιουργία ενός μορίου RΝΑ ή ίσως ενός συνόλου μορίων ικανών να αυτοαντιγράφονται. Αυτό όμως αφήνει ανοιχτό ένα άλλο σημαντικό ερώτημα. Από πού προήλθε η ενέργεια που κινεί αυτή τη δραστηριότητα; Θα πρέπει να υπήρξε κάποιο είδος μεταβολικής διαδικασίας, όμως το RΝΑ δεν φαίνεται να μπορεί να «τρέξει» έναν πλήρη μεταβολισμό.

«Υπήρξε ένα βασανιστικό ζήτημα, το κατά πόσον το RΝΑ μπορεί να κάνει όλη αυτή τη χημεία» λέει ο Αντριάν Φερέ-Ντ΄ Αμαρέ του αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Καρδιάς, Πνεύμονα και Αίματος στη Μπεθέσντα του Μέριλαντ. Το RΝΑ διαθέτει ελάχιστες «λειτουργικές ομάδες», με αποτέλεσμα να μπορεί να καταλύσει μόνο ορισμένα είδη χημικών αντιδράσεων.

Οι λειτουργικές ομάδες είναι σαν εργαλεία- όσο περισσότερα είδη έχει κάποιος, τόσο περισσότερα πράγματα μπορεί να κάνει. Οι πρωτεΐνες έχουν πολύ περισσότερες λειτουργικές ομάδες από το RΝΑ. Ωστόσο ένα τέτοιο εργαλείο μπορεί να γίνει πολύ πιο ευέλικτο με τη βοήθεια ορισμένων μορίων που ονομάζονται συμπαράγοντες.

Οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούν συμπαράγοντες για να επεκτείνουν ακόμη περισσότερο το εύρος των αντιδράσεων που μπορούν να ελέγξουν. Χωρίς τους συμπαράγοντες η ζωή όπως τη γνωρίζουμε δεν θα υπήρχε, λέει ο κ. Φερέ-Ντ΄ Αμαρέ. Οπως αποκαλύπτεται, τα ένζυμα του RΝΑ μπορούν και αυτά να χρησιμοποιήσουν συμπαράγοντες.

Το 2003 ο Χιροάκι Σούγκα, ο οποίος σήμερα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, δημιούργησε ένα ένζυμο RΝΑ το οποίο μπορούσε να οξειδώσει την αλκοόλη με τη βοήθεια ενός συμπαράγοντα που χρησιμοποιούν πολλά ένζυμα πρωτεΐνών. Λίγους μήνες αργότερα ο Ρόναλντ Μπρέικερ του Πανεπιστημίου Γέιλ ανακάλυψε ότι ένα φυσικό ένζυμο RΝΑ, το glmS, χρησιμοποιεί επίσης έναν συμπαράγοντα. Πολλά βακτήρια χρησιμοποιούν το glmS, λέει ο κ. Φερέ-Ντ΄ Αμαρέ, επομένως είτε αυτό είναι αρχαίο είτε τα ένζυμα RΝΑ που χρησιμοποιούν συμπαράγοντες εξελίσσονται εύκολα. Οπως και να έχει, φαίνεται ότι τα μόρια RΝΑ ενδεχομένως θα μπορούσαν να εκτελέσουν τη σειρά των αντιδράσεων που απαιτούνται για την παραγωγή ενέργειας.

Τα στοιχεία λοιπόν υπέρ της ύπαρξης του κόσμου του RΝΑ γίνονται όλο και πιο πειστικά. Απομένουν μόνο μερικοί διαφωνούντες. «Οι αρνητές του κόσμου του RΝΑ έχουν χάσει πολύ έδαφος» λέει η Ντόνα Μπλάκμοντ του Ινστιτούτου Ερευνών Scripps στη Λα Χόγια της Καλιφόρνιας. Υπάρχει όμως ακόμη ένα τεράστιο και προφανές πρόβλημα: από πού προήλθε αρχικά το RΝΑ;

Τα μόρια του RΝΑ αποτελούνται από σειρές νουκλεοτιδίων, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από ένα σάκχαρο συνδεδεμένο με μία βάση και ένα φωσφορικό άλας. Στα ζωντανά κύτταρα πολλά ένζυμα εμπλέκονται στην παραγωγή και στη σύνθεση των νουκλεοτιδίων, ο αρχέγονος πλανήτης όμως δεν διέθετε τέτοια ένζυμα. Υπήρχε ωστόσο άργιλος. Το 1996 ο βιοχημικός Λέσλι Οργκελ έδειξε ότι όταν «ενεργοποιημένα» νουκλεοτίδια- δηλαδή με μια «ενίσχυση» στη βάση που συνδέεται με το φωσφορικό άλαςπροστίθενται σε ένα είδος ηφαιστειακής αργίλου σχηματίζονται μόρια RΝΑ που περιλαμβάνουν ακόμη και 55 νουκλεοτίδια.

Αυτό υποδηλώνει ότι αν υπήρχαν άφθονα ενεργοποιημένα νουκλεοτίδια στην πρώιμη Γη θα μπορούσαν να σχηματιστούν αυθόρμητα μεγάλα μόρια RΝΑ. Επιπλέον πειράματα που προσομοιώνουν τις συνθήκες στην πρώιμη Γη και στους αστεροειδείς δείχνουν ότι τα σάκχαρα, οι βάσεις και τα φωσφορικά άλατα μπορούν να εμφανιστούν σε αυτές με φυσικό τρόπο. Το δύσκολο είναι η σύνθεση των νουκλεοτιδίων, εφόσον εξαιτίας των σχημάτων τους τα σάκχαρα και οι βάσεις είναι σχεδόν αδύνατον να ενωθούν χωρίς τη συμβολή εξειδικευμένων ενζύμων.

Αυτή η φαινομενικά αξεπέραστη δυσκολία έκανε πολλούς βιολόγους να σκεφθούν ότι το RΝΑ ίσως δεν ήταν τελικά ο πρώτος αντιγραφέας. Πολλοί άρχισαν να αναρωτιούνται μήπως πριν από τον κόσμο του RΝΑ είχε υπάρξει ένας κόσμος του ΤΝΑ ή του ΡΝΑ ή ίσως του ΑΝΑ- μορίων που μοιάζουν με το RΝΑ αλλά οι βασικές μονάδες τους πιστεύεται ότι μπορούσαν ευκολότερα να σχηματιστούν αυθόρμητα. Το πρόβλημα με αυτή την ιδέα είναι ότι, αν η ζωή ξεκίνησε έτσι, σήμερα δεν έχει απομείνει κανένα στοιχείο που να υποδηλώνει την ύπαρξή της.

Εν τω μεταξύ ο Τζον Σάδερλαντ του Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας του Κέιμπριτζ προσπαθεί επίμονα να λύσει το πρόβλημα των νουκλεοτιδίων. Συνειδητοποίησε ότι οι ερευνητές ίσως το προσέγγιζαν με λάθος τρόπο. «Σε κάθε νουκλεοτίδιο βλέπουμε ένα σάκχαρο,μία βάση και μία ομάδα φωσφορικών αλάτων» λέει. «Υποθέτουμε λοιπόν ότι πρέπει πρώτα να δημιουργήσουμε αυτά τα δομικά στοιχεία και μετά να τα ενώσουμε- και αυτό δεν λειτουργεί» .

Αναρωτήθηκε λοιπόν μήπως απλούστερα μόρια θα μπορούσαν να ενωθούν σε ένα νουκλεοτίδιο χωρίς να γίνουν ποτέ σάκχαρα ή βάσεις. Το 2009 απέδειξε ότι αυτό είναι δυνατόν. Πήρε μισό σάκχαρο και μισή βάση και τα «κόλλησε» μαζί σχηματίζοντας τον κρίσιμο σύνδεσμο σακχάρου- βάσης που όλοι πάσχιζαν να σχηματίσουν. Στη συνέχεια «έριξε» το υπόλοιπο σάκχαρο και τη βάση. Στο τέλος πρόσθεσε το φωσφορικό άλας, ανακάλυψε όμως ότι αυτό έπρεπε να είναι παρόν στο μείγμα εξαρχής για να λειτουργήσουν οι προηγούμενες αντιδράσεις.

Αποφάσισε λοιπόν να κάνει «ακατάστατη» δουλειά συμπεριλαμβάνοντας το φωσφορικό άλας από την αρχή, έτσι όμως πήρε τα καλύτερα αποτελέσματα. Αυτό είναι ενθαρρυντικό: η αρχέγονη Γη ήταν ένα ακατάστατο μέρος και ίσως τελικά να ήταν ιδανική για την παραγωγή νουκλεοτιδίων. Ο Σάδερλαντ τώρα υποπτεύεται ότι υπάρχει μια «χημεία της Χρυσομαλλούσας»- ούτε πολύ απλή ούτε πολύ σύνθετη- η οποία μπορεί να παραγάγει πολλά βασικά συστατικά από το ίδιο χωνευτήρι.

Το ζήτημα ωστόσο δεν έχει λυθεί ακόμη εντελώς. Το RΝΑ έχει τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια και ως τώρα ο Σάδερλαντ έχει παραγάγει μόνο δύο από αυτά. Παρ΄ όλα αυτά λέει ότι «πλησιάζει» τα υπόλοιπα. Αν επιτύχει, θα δείξει ότι ο αυθόρμητος σχηματισμός ενός αντιγραφέα RΝΑ δεν είναι τελικά τόσο απίθανος.

Ακόμη και αν η θεωρία του κόσμου του RΝΑ επαληθευθεί,πολλά ερωτήματα παραμένουν ανοιχτά.Πώς ήταν η πρώτη ζωή; Πώς έγινε η μετάβαση στο DΝΑ και στις πρωτεΐνες και η ανάπτυξη του γενετικού κώδικα; Ισως να μη μάθουμε ποτέ με βεβαιότητα,όμως οι ειδικοί διερευνούν αρκετά πιθανά ενδεχόμενα.Οι περισσότεροι βιολόγοι νομίζουν ότι θα πρέπει να υπήρξε εξαρχής κάτι σαν κύτταρο το οποίο θα περιέβαλλε τον αντιγραφέα και θα διατηρούσε τα συστατικά του ενωμένα.

Ο Τζακ Σόστακ του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ έχει δείξει ότι η ίδια άργιλος που παράγει αλυσίδες RΝΑ ενθαρρύνει επίσης τον σχηματισμό θυλάκων από μεμβράνη που μοιάζουν με κύτταρα.Εχει αναπτύξει «πρωτοκύτταρα» τα οποία μπορούν να περιέχουν RΝΑ και να διαιρεθούν χωρίς τους σύγχρονους κυτταρικούς μηχανισμούς.

Μια άλλη ιδέα είναι ότι η ζωή ξεκίνησε σε αλκαλικές υδροθερμικές πηγές στον πυθμένα της θάλασσας.Οι σχισμές αυτές όχι μόνο διαθέτουν πόρους και φυσαλίδες,αλλά επιπλέον προσφέρουν ένα ηλεκτροχημικό περιβάλλον παρόμοιο με αυτό που κινεί την παραγωγή ενέργειας στα κύτταρα ως σήμερα,ευνοώντας τον σχηματισμό μακριών αλυσίδων RΝΑ.

Ο Φίλιπ Χόλιγκερ έχει μια απρόσμενη ιδέα: ίσως όλα συνέβησαν στον πάγο.Την εποχή που ξεκίνησε η ζωή ο Ηλιος ήταν 30% λιγότερο λαμπρός απ΄ ό,τι σήμερα.Ο πλανήτης δεν είχε παγώσει ολόκληρος εξαιτίας των αερίων του θερμοκηπίου,αλλά μάλλον υπήρχε πάγος προς τους πόλους.

Το ψυχρό RΝΑ διατηρείται περισσότερο και ο πάγος έχει πολλά άλλα πλεονεκτήματα.Οταν το νερό που περιέχει RΝΑ και άλλα χημικά μόρια ψύχεται,ένα μέρος του παγώνει ενώ το υπόλοιπο γίνεται μια συμπυκνωμένη άλμη που «τρέχει» γύρω από τους κρυστάλλους του πάγου.Είναι ενδιαφέρον ότι το ένζυμο RΝΑ R18 λειτουργεί καλύτερα στον πάγο παρά σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει τρόπος να διαλέξουμε ανάμεσα στις δύο επιλογές,εφόσον ως τώρα δεν έχουν βρεθεί απολιθώματα των πρώτων αντιγραφέων.Μπορούμε όμως να αναπαραστήσουμε τον κόσμο του RΝΑ για να δούμε πώς μπορεί να προέκυψε.Σύντομα,λέει ο Σάδερλαντ,κάποιος θα γεμίσει μια δεξαμενή με ένα μείγμα αρχέγονων υλικών,θα τη διατηρήσει στις κατάλληλες συνθήκες και θα δει τη ζωή να σχηματίζεται.«Αυτό το πείραμα θα γίνει» υποστηρίζει.

ΤΟ ΒΗΜΑ - Science