De la materia neinsufletita la biosfera

In istoria stiintelor, ipotezele „materialiste“, evolutioniste asupra originii vietii pe Terra sunt printre cele mai de seama creatii umane ale tuturor timpurilor. In acelasi timp rezultat si punct de pornire a nenumarate stradanii stiintifice, ele stau si azi la baza celor mai ample si mai sofisticate cercetari din vastul camp al biologiei.

In linii mari, ele sustin ca materia vie ar fi evoluat din materia anorganica prin procese chimice, sub influenta conditiilor specifice existente pe Terra in perioadele corespunzatoare.

• Inteligența Artificială a găsit originea psihozei în creier
• O teorie bizară spune că în Univers există un singur electron

Savantul rus Oparin (in 1924) si omul de stiinta britanic Haldane (in 1929, inainte ca lucrarea lui Oparin sa fi fost tradusa in engleza) au emis, independent unul de celalalt, teoria aparitiei vietii in conditiile existente pe Pamant in urma cu cca 4 miliarde de ani: atmosfera lipsita de oxigen, descarcari electrice, radiatii ultraviolete puternice.

Primele alcatuiri care, desi lipsite de viata, duc oarecum cu gandul la ceea ce numim celule ar fi putul fi asa-numitele coacervate – mici picaturi sferice de materie organica, plutind intr-un lichid. Oparin a sugerat ca acestea puteau fi un fel de precursoare ale celulelor. Asemenea structuri apar spontan in anumite solutii de substante organice si au fost studiate, in 1932, de cercetatorul olandez de Jong, care a realizat diverse experimente cu coacervate, demonstrand ca ele poseda, la un nivel rudimentar, proprietati ce ar putea indrepta gandirea spre insusirile materiei vii.

Totusi, parea inca de neinteles si de neacceptat, pentru marea majoritate a oamenilor, ca din substante anorganice simple sa se fi putut forma substante organice atat de complexe precum acelea din care e alcatuita materia vie. Intre lumea vie si cea neinsufletita, prapastia parea de netrecut in absenta vreunei forte supranaturale.

In 1952, savantul american Harold Urey a publicat o lucrare in care descria compozitia probabila a atmosferei terestre pe vremea cand se presupunea ca ar fi aparut viata. Urey sustinea ca, spre deosebire de atmosfera actuala (care contine 78% azot si 21% oxigen), cea straveche era compusa mai ales din metan, amoniac si hidrogen, alaturi de vapori de apa. Urey i-a propus unui foarte promitator student de-al sau, Stanley Miller, sa intreprinda un proiect de cercetare in cadrul caruia sa incerce sa sintetizeze compusi organici intr-un mediu asemanator atmosferei primare  a Terrei.

Ceea ce s-a intamplat a facut atata valva, incat experimentul Urey-Miller este considerat si astazi o piatra de hotar in cercetarile asupra originii vietii.

Anul 1953 a fost unul extraordinar pentru stiinta. Printre evenimentele capitale ale acestui an uimitor, s-a numarat si experimentul lui Miller. Amestecul de gaze (cele identificate de Urey) si apa a fost supus unor descarcari electrice cu tensiunea de 60.000 de volti. Dupa cateva zile, a inceput munca laborioasa de separare si identificare a substantelor din amestecul rezultat. Si aici au aparut surprizele care au dat peste cap comunitatea stiintifica si chiar pe nespecialisti. Solutia continea un mare numar de substante organice complexe, despre care se stia ca sunt prezente in materia vie: 25 de aminoacizi (cei mai abundenti fiind glicina, alanina si acidul aspartic), diversi acizi grasi, hidroxiacizi si amide. „Moleculele vietii“ fusesera obtinute pe cale artificiala!

Totul parea sa se lege, dand impresia reconfortanta ca faptele se inlantuiesc coerent si logic intr-o explicatie pe deplin multumitoare. Rezultatele experimentelor lui Miller se potriveau ca niste piese dintr-un puzzle, confirmand teoriile lui Oparin si Haldane si dovedind ca din materia anorganica puteau sa apara, in anumite conditii, substante organice, molecule ale vietii; ulterior, acestea ar fi putut lua parte la procesele prebiotice care ar fi dus la aparitia lumii vii.

Asa au stat lucrurile pana in ultimii ani ai secolului XX, cand frumosul edificiu a inceput sa se clatine. Organizarea moleculelor simple, ca acelea obtinute de Milller, in ansambluri capabile sa se autoreproduca si sa evolueze e un proces deosebit de complex, deloc usor de inteles si de reprodus, asa cum isi imaginau cercetatorii care se lasasera dusi de valul entuziasmului starnit de experimentul Miller-Urey. In afara de asta, ultimele cercetari au scos la iveala  faptul ca atmosfera primitiva a Terrei nu era nici pe departe „atat de reducatoare“ cum preconizasera Oparin, Haldane si Urey. Or, in prezenta oxigenului, substantele organice formate ar fi fost rapid degradate.

Dar, cu toate ca din cauza acestor deosebiri de detaliu experimentul Miller-Urey este acum pus sub semnul intrebarii, el a avut un impact extraordinar asupra cercetarilor, lansand un nou domeniu de studiu: chimia prebiotica.

In acelasi fantastic an 1953, care pare sa fi fost unul de varf pentru cercetarile asupra misterelor vietii, Watson si Crick au descoperit structura moleculei de ADN, celebrul dublu helix reprezentat pe mai toate copertile cartilor in care e vorba despre genetica. Descoperirea – epocala – a fost recompensata cu Premiul Nobel (Watson, Crick si Wilkins, 1962) si a inaugurat un nou camp de cercetare: biologia moleculara.

Impreuna cu noul domeniu al chimiei prebiotice, deschis de cercetarile lui Miller si Urey, biologia moleculara este unul dintre fronturile majore pe care se poarta la aceasta ora batalia stiintifica pentru descifrarea tainelor vietii.

Laboratoare din intreaga lume desfasoara programe de cercetare care, pornind de la ipoteza Oparin-Haldane – viata este produsul unei evolutii chimice – incearca sa lumineze punctele obscure ale teoriei, gasind explicatii pentru ceea ce este inca de neinteles.

La urma urmei, explicatia venirii si a devenirii noastre pe acest Pamant e cel mai mare dintre mistere, enigma suprema. In masura in care lucrurile neexplicate pot fi considerate miracole, ivirea vietii este cel mai mare miracol. Un miracol pe care incercam totusi sa-l explicam in termenii stiintei. Si, pe masura ce avansam, constatam, la fiecare pas, ca lucrurile sunt chiar mai miraculoase decat pareau la inceput.

Marea problema este cum s-a trecut de la monomerii care, intr-un fel sau altul, aveau sanse sa apara de la sine in conditiile de acum cca 4 miliarde de ani la polimerii extrem de complecsi ca structura si la incredibil de vastul si complexul sistem de interactiuni necesare pentru evolutia si perpetuarea organismelor vii, sistem care implica poate zeci de mii de substante, diferite prin compozitia chimica si prin structura lor spatiala.

In anii ‘80, Günter Wächtershäuser a propus o solutie alternativa (diferita de cea a lui Miller si Urey) pentru explicarea aparitiei polimerilor vietii. Pornind de la ideea ca evolutia vietii este in esenta una chimica, el a afirmat ca substantele organice ar fi putut lua nastere din compusi gazosi simpli, fara implicarea unei surse externe de energie (reprezentata, in teoria lui Urey, de radiatia ultravioleta si descarcarile electrice).

Sursa de energie se gasea chiar pe Pamant: sulfurile de fier (din minerale ca pirita) sau alte sulfuri metalice. Reactiile de oxidoreducere din aceste substante minerale ar fi putut furniza energia necesara formarii substantelor organice si chiar formarii oligomerilor (lanturi alcatuite dintr-un numar mic de molecule organice) si polimerilor (lanturi lungi, alcatuite dintr-un mare numar de molecule de monomer).

Ipoteza lui Wächtershäuser mai presupune si faptul ca aceste substante ar fi putut evolua ulterior in entitati cu functii metabolice, capabile de autocataliza si autoreplicare – entitati care sa fi precedat formele de viata pe care le cunoastem astazi.

Experimentele realizate au avut drept rezultat obtinerea unor cantitati mici de dipeptide (alcatuite din doi aminoacizi) si tripeptide.

Teoria lui Wächtershäuser are, evident, si ea punctele ei slabe. Printre altele, dipeptidele obtinute au fost rapid distruse prin hidroliza, lucru care e foarte probabil sa se fi intamplat in mediul apos in care se presupune ca s-au desfasurat aceste reactii pe Terra. Iar autorul nu a inclus in experimente si molecule care ar fi putut determina reactii incrucisate sau incheierea prematura a polimerizarii, ce ar fi produs doar lanturi scurte  de aminoacizi.

Dar imperfect inseamna perfectibil. Teoria lui Wächtershäuser a fost imbunatatita in 2002, prin cercetarile lui William Martin si Michael Russell. Acestia au imaginat un scenariu conform caruia reactiile propuse de Wächtershäuser s-ar fi desfasurat in izvoarele hidrotermale submarine, aflate la mari adancimi. Aici exista din abundenta sulfuri metalice, provenite din mantaua terestra. In asemenea formatiuni, moleculele nou-sintetizate s-ar fi putut gasi in concentratii mai mari, fapt ce sporea sansele formarii oligomerilor, iar diferentele de temperatura ar fi permis desfasurarea unor tipuri diferite de reactii in diversele parti ale sistemului (de exemplu sinteza monomerilor in regiunile mai fierbinti si oligomerizarea in zonele cu temperaturi mai scazute). Fluxul apei incarcate cu sulfuri metalice reprezinta o sursa continua de energie, iar in modelul propus etapele evolutiei spre celula vie (reactii chimice prebiotice, sinteza monomerilor si a oligomerilor, sinteza peptidelor si a proteinelor, aparitia ARN, a ribonucleoproteinelor si a ADN) s-ar putea succeda in una si aceeasi structura, permitand schimburile intre stadii. Ultimul stadiu ar fi formarea unei membrane lipidice care ar izola entitatile si cu asta s-ar fi nascut prima celula. Ea ar fi acum capabila sa paraseasca izvorul hidrotermal si sa inceapa o dezvoltare independenta.

Totusi, ramane inca nelamurita problema „marii treceri“: cum s-a ajuns de la moleculele organice la protocelule? Ei bine, aici avem o problema de tipul ce a fost mai intai: oul sau gaina? Iar raspunsurile sunt… tot ipoteze.

Doua scoli de gandire se confrunta, una sustinand ca mai intai au aparut acizii nucleici, sub forma unor catene de ARN relativ scurte, care au coordonat formarea proteinelor; cealalta, respingand ideea unor molecule „nude“ de acizi nucleici, sustine ca mai intai trebuie sa fi luat nastere un metabolism primitiv, care ar fi oferit mediul propice aparitiei ulterioare a replicarii ARN.

Cea dintai dintre presupuneri – la inceput au fost acizii nucleici – s-a dezvoltat sub forma asa-numitei ipoteze a „lumii ARN“. Potrivit acesteia, ar fi fost posibila formarea spontana a unor catene scurte de ARN capabile sa-si catalizeze propria replicare. Datele experimentale ofera teoriei cateva puncte de sprijin: ARN este capabil sa se replice cu usurinta, sa inmagazineze informatie, dar si sa actioneze ca o enzima (numita ribozima) pentru a cataliza replicarea. Totusi, ARN este sensibil la actiunea radiatiilor ultraviolete, iar anumite componente ale sale sunt instabile – doua puncte slabe, care fac sa se clatine aceasta teorie. Forme mai moderne ale acestei teorii afirma ca ar fi existat o molecula mai simpla capabila de autoreplicare; diversele supozitii pe care se sprijina aceasta teorie au fost testate prin experimente de laborator, dar, din pacate, nu au putut fi gasite sedimente geologice atat de vechi care sa poarte dovezi credibile despre ceea ce s-a intamplat in urma cu 3,8 miliarde de ani. In cealalta tabara – a adeptilor ideii ca mai intai a aparut metabolismul – circula numeroase modele teoretice care incearca sa explice formarea primelor incinte inchise (asemenea celulelor inconjurate de membrana) in care s-au putut desfasura reactii chimice – un fel de metabolism primitiv. Unul dintre ele, teoria bulelor, aduce in minte imaginea valurilor care, lovindu-se de tarm, produc o spuma alcatuita din nenumarate bule. Ar fi fost posibil ca substantele organice din apa sa fi fost concentrate la tarm in acest mod. Iar unele dintre aceste substante – cele lipidice – puteau forma spontan, datorita structurii speciale a moleculelor lor, un strat dublu in jurul unei bule de apa cu substante organice, si iata o prima schita a membranei fosfolipidice bistratificate a celulelor. Adaugarea unei substante proteice ar fi crescut stabilitatea si rezistenta acestei membrane.

Intrucat fiecare teorie are punctele ei slabe – amanunte inca neexplicate, din cauza lipsei dovezilor obiective –, cercetatorii incearca sa imbine partile tari, luand, din mai multe teorii, ceea ce poate fi argumentat stiintific si creand astfel modele combinate.

FACTS

Ipoteze… Ipoteze…

Alte modele vehiculate la ora actuala in lumea stiintifica includ: ipoteza autocatalizei, propusa de Richard Dawkins (exista substante care catalizeaza propria lor formare si acestea ar fi putut fi replicatoarele moleculare simple necesare inceputului); teoria argilei, lansata de Graham Cairns-Smith in 1985 (moleculele organice complexe s-ar fi putut forma, treptat, pe un substrat alcatuit din  substante anorganice, si anume din cristale de silicati in solutie); teoria – lansata de Thomas Gold in 1990, consecutiv descoperirii in roci situate la cativa km adancime sub scoarta a unor structuri filamentoase ce contineau ADN – conform careia viata nu a aparut la suprafata Terrei, ci la cativa kilometri sub aceasta.

Ce este viata?

Definitia vietii include cateva caracteristici; cu alte cuvinte, materia vie este caracterizata de anumite particularitati, care o deosebesc de materia nevie.

Materia vie este organizata In celule – unitatile elementare ale viului. Celula este caracterizata de prezenta unei membrane (alcatuita dintr-un strat dublu de fosfolipide, in care sunt integrate diverse proteine, cu rol bine definit) care delimiteaza celula de mediul exterior. In interior se afla citoplasma (o solutie de substante organice diverse), organitele celulare („subansambluri“ cu rol specific) si genomul (materialul genetic). La organismele numite procariote (cum sunt bacteriile), genomul nu este adapostit in nucleu, in timp ce la eucariote (care includ majoritatea fiintelor de pe Terra), exista in celula un nucleu bine delimitat, ce gazduieste materialul genetic.

Virusurile reprezinta o problema nu doar pentru sanatate, ci si pentru definitia viului. Ele nu au structura celulara, dar au stransa legatura cu materia vie, reproducandu-se cu ajutorul materialului genetic din celulele altor vietuitoare. Virusurile sunt entitati infectioase pe care, in virtutea alcatuirii lor acelulare, unii oameni de stiinta le considera nevii.

Fiintele vii prezinta un permanent metabolism – o suma de reactii complexe care implica transformari chimice si energetice.

Homeostazia reprezinta mentinerea constanta a caracteristicilor mediului intern al organismului, in ciuda schimbarilor din mediul extern. Homeostazia presupune existenta unor mecanisme de control si reglare extrem de sofisticate.

Cresterea si transformarea in decursul vietii implica preluarea unor resurse din mediu si transformarea lor in compusi proprii organismului.

Organismele vii au capacitatea de a reactiona la stimuli.

Reproducerea presupune multiplicarea indivizilor, producerea unor „còpii“ ale unui exemplar. Realizarea de copii identice implica transmiterea ereditara a caracterelor cu mare acuratete, fapt ce necesita existenta unor mecanisme de reglare foarte precise.

Evolutia: schimbari in caracteristicile indivizilor, schimbari ce apar datorita mutatiilor si se fixeaza prin selectie naturala, ducand la aparitia unor specii noi.

Ipoteza Eigen

La inceputul anilor ’70, o echipa de cercetatori de la Institutul Max Planck, condusa de Manfred Eigen, a intreprins un studiu matematic asupra posibilei origini a vietii.

Savantii au incercat sa analizeze stadiile intermediare dintre starea de haos molecular si sistemele macromoleculare capabile de autoreproducere. Cum s-a ajuns de la o „supa“ de molecule organice simple, plutind intr-un mediu apos, la sisteme capabile sa se reproduca?

Pentru a construi ceva dupa un tipar, trebuie sa cunosti tiparul. In acest caz, trebuia sa existe ceva, o structura specializata, care „sa tina minte“ cum se face, pentru a face. Evident, era nevoie de un sistem de stocare a informatiei pe baza careia se realiza replicarea – reproducerea cu exactitate a structurii initiale. Eigen si echipa sa au pornit de la ipoteza ca acest sistem ar fi putut fi reprezentat de catre ARN (acidul ribonucleic). Acesta produce o enzima care, la randul ei, catalizeaza formarea unui nou sistem de stocare etc., totul intr-un scenariu ciclic – asa-numitul hiperciclu. Aplicand un model matematic acestei secvente de evenimente, devine teoretic posibila crearea unor „cvasispecii“ care intra ulterior in moara selectiei naturale, pe baza modelului propus de Darwin – schema clasica a evolutiei prin supravietuirea celui mai bine adaptat.
Ceea ce a facut plauzibil modelul propus de Eigen a fost descoperirea faptului ca ARN, in anumite conditii, se poate transforma intr-o ribozima, o enzima care catalizeaza ea insasi formarea ARN.

Intamplare sau intentie?

Dar daca lucrurile sunt inca si mai simple? intreaba altii. De ce sa ne incurcam in speculatii, intrebandu-ne cum si daca a fost posibil ca niste alcatuiri organice sa nimereasca pe Terra, cand ele puteau fi aduse cu buna stiinta si puse la locul potrivit? Doar biosfera actuala e indeajuns de complexa si uluitoare pentru a ne ingadui sa presupunem ca a fost intemeiata intentionat, de o civilizatie pentru care planeta noastra n-a fost decat un fel de ogor vast (poate un lot experimental?) pe suprafata caruia, cu un anume scop, au fost aruncate semintele vietii.

Aceasta teorie tulburatoare, cea mai SF dintre ipotezele care circula azi, nu numai ca a inspirat diverse opere de fictiune cinematografica si literara, dar are si adepti ilustri in randul comunitatii stiintifice: Francis Crick, unul dintre cei trei savanti care au primit Premiul Nobel in 1962 pentru descoperirea, in 1953, a structurii ADN, si Leslie Orgel, renumit chimist, specialist in cercetari asupra chimiei materiei vii si autor al unei carti intitulate Originea vietii.