To żele zapoczątkowały życie na Ziemi? Nowe odkrycie Japończyków

Pytanie o to, jak na Ziemi powstało życie, pozostaje jednym z najtrudniejszych problemów współczesnej nauki. Wiadomo, że pierwsze organizmy jednokomórkowe pojawiły się ponad cztery miliardy lat temu, ale droga prowadząca od prostych związków nieorganicznych do systemów zdolnych do metabolizmu i samopowielania wciąż jest przedmiotem sporów. Nowa hipoteza zaproponowana przez międzynarodowy zespół badaczy sugeruje, że kluczową rolę w tym procesie mogły odegrać powierzchniowe żele prebiotyczne, istniejące na długo przed pojawieniem się pierwszych komórek.

Zespół naukowców z Japonii, Malezji, Wielkiej Brytanii i Niemiec przedstawił tzw. koncepcję „prebiotic gel-first”, zgodnie z którą życie mogło wyłonić się nie w izolowanych pęcherzykach przypominających prymitywne komórki, lecz w półstałych, przytwierdzonych do powierzchni matrycach żelowych. Praca pt. Prebiotic Gels as the Cradle of Life została opublikowana w czasopiśmie ChemSystemsChem.

Alternatywa dla klasycznych scenariuszy abiogenezy

Dominujące teorie abiogenezy koncentrują się na powstawaniu i ewolucji biomolekuł: aminokwasów, nukleotydów, lipidów i ich polimerów. W wielu modelach kluczową rolę odgrywają mikropęcherzyki lipidowe, które miałyby oddzielać wnętrze „protokomórki” od środowiska. Autorzy nowej pracy zwracają jednak uwagę, że taki scenariusz nie rozwiązuje wszystkich problemów chemii prebiotycznej, zwłaszcza kwestii koncentracji reaktywnych cząsteczek i stabilności powstających układów.

„Podczas gdy wiele teorii skupia się na funkcji biomolekuł i biopolimerów, nasza koncepcja uwzględnia rolę żeli już na samym początku powstawania życia” – mówi prof. Tony Z. Jia z Uniwersytetu w Hiroszimie, współautor publikacji, w komunikacie uczelni.

Według badaczy żele prebiotyczne mogły stanowić środowisko pośrednie pomiędzy chaotyczną chemią oceanu a uporządkowaną strukturą komórki. Byłyby to materiały półstałe, bogate w wodę, zdolne do wiązania i zatrzymywania cząsteczek organicznych na swojej powierzchni lub w swojej objętości.

Czym miały być żele prebiotyczne

Proponowane żele przypominałyby pod względem fizykochemicznym współczesne biofilmy bakteryjne, czyli cienkie warstwy mikroorganizmów i substancji polimerowych, które powszechnie pokrywają skały, osady denne czy sztuczne konstrukcje. W warunkach prebiotycznych takie struktury mogły powstawać spontanicznie z prostych polimerów organicznych, minerałów ilastych i wody.

Zdaniem autorów żele te miałyby kilka kluczowych właściwości. Po pierwsze, umożliwiałyby koncentrację cząsteczek, co jest jednym z największych wyzwań dla chemii prebiotycznej. Po drugie, mogłyby działać jako bufor środowiskowy, chroniąc delikatne reakcje chemiczne przed gwałtownymi zmianami temperatury, pH czy zasolenia. Po trzecie, zapewniałyby lokalną strukturę, sprzyjającą powstawaniu sieci reakcji chemicznych.

„Takie żele mogły przełamać kilka fundamentalnych barier, które utrudniają wyjaśnienie początków życia” – wyjaśnia dr Ramona Khanum z Space Science Center (ANGKASA) przy National University of Malaysia, współautorka pracy, cytowana przez Universe Today.

Wewnątrz żeli zaczęły zachodzić reakcje

W artykule opublikowanym w ChemSystemsChem autorzy argumentują, że wewnątrz żeli prebiotycznych mogły rozwijać się przypominające metabolizm komórkowy sieci reakcji, obejmujące procesy redoks, reakcje napędzane światłem oraz sprzężenia chemo-mechaniczne. Żele mogły także sprzyjać powstawaniu prostych układów samowzmacniających się, takich jak sieci autokatalityczne lub synteza matrycowa.

Co istotne, badacze nie twierdzą, że żele same w sobie były „życiem”. Traktują je raczej jako platformę, na której ewolucja chemiczna mogła nabrać kierunku, prowadząc stopniowo do wykształcenia bardziej złożonych struktur, w tym pierwszych komórek.

„To tylko jedna z wielu hipotez w rozległym krajobrazie badań nad pochodzeniem życia” – podkreśla Kuhan Chandru z National University of Malaysia, współautor pracy. „Ponieważ jednak rola żeli była dotąd marginalizowana, chcieliśmy zebrać rozproszone badania i zaproponować spójną narrację, w której żele odgrywają centralną rolę„.

Takie życie mogło powstać na innych planetach

Nowa koncepcja wykracza poza pytanie o początki życia na Ziemi. Autorzy sugerują, że podobne struktury mogłyby powstawać także w innych środowiskach planetarnych. W artykule pojawia się pojęcie tzw. „xeno-films”, czyli hipotetycznych, obcych odpowiedników biofilmów, zbudowanych z innych niż ziemskie bloków chemicznych.

Taka perspektywa może mieć znaczenie dla przyszłych misji astrobiologicznych. Zamiast koncentrować się wyłącznie na poszukiwaniu konkretnych cząsteczek organicznych, naukowcy mogliby zwracać uwagę na struktury materiałowe wskazujące na lokalną organizację chemii.

Autorzy zwracają uwagę, że ich hipoteza może być istotna m.in. dla interpretacji danych z misji ESA JUICE oraz NASA Europa Clipper, które w nadchodzącej dekadzie zbadają lodowe księżyce Jowisza. Szczególne nadzieje wiązane są jednak z misją Dragonfly, która w 2034 roku rozpocznie badania powierzchni Tytana – księżyca Saturna bogatego w związki organiczne.

Kiedy chemia stała się biologią?

Kolejnym etapem badań mają być eksperymenty laboratoryjne, których celem będzie sprawdzenie, czy żele prebiotyczne mogą powstawać z prostych związków chemicznych w warunkach odpowiadających późnemu hadeikowi, około czterech miliardów lat temu. Naukowcy chcą także zbadać, jakie właściwości fizyczne i chemiczne takich żeli byłyby kluczowe dla rozwoju złożonych układów reakcyjnych.

„Mamy nadzieję, że nasza praca zainspiruje innych badaczy do dalszego eksplorowania tej i innych niedostatecznie zbadanych hipotez dotyczących pochodzenia życia” – podsumowuje Khanum.

Choć koncepcja żeli prebiotycznych nie rozwiązuje ostatecznie zagadki narodzin życia, wpisuje się w rosnący nurt badań, które próbują spojrzeć na to pytanie nie tylko przez pryzmat pojedynczych cząsteczek, lecz także przez właściwości materiałów i struktur, w jakich chemia mogła ewoluować. W tym sensie debata o początkach życia przesuwa się z poziomu „jakie cząsteczki?” na bardziej fundamentalne pytanie: w jakim środowisku chemia mogła stać się biologią.