Drzna raziskava nemškega biologa: je življenje na Zemlji vzniknilo dvakrat?

Morda največje doslej še neodgovorjeno vprašanje znanosti je: kako je nastalo življenje?

Danes vemo, da dejstvo, da pisec tega članka, njegovi bralci in vsa druga živa bitja na našem planetu obstajamo, izvira iz osupljivega niza dogodkov, ki sega več kot štiri milijarde let v preteklost.

Takrat je iz nežive kemije nastalo nekaj, v čemer so se začeli odvijati procesi, ki danes veljajo za temeljne značilnosti življenja.

Nekje na tej poti je torej nekaj "preskočilo prag", ki ločuje živo od nežive narave.

Nova, precej radikalna raziskava, objavljena v znanstveni reviji Science Advances, pa nakazuje, da ta prag morda ni bil preskočen samo enkrat, temveč dvakrat.

Toda to ne pomeni, da sta na Zemlji povsem neodvisno nastali dve obliki življenja.

Zgodba je precej bolj zapletena – in morda še zanimivejša.

Najprej je bila kemija

Ena od značilnosti, ki je skupna vsemu življenju, je presnova oziroma metabolizem – skupek kemičnih procesov, s katerimi organizmi pridobivajo in uporabljajo energijo ter gradijo in obnavljajo svoje sestavne dele.

V naših celicah te reakcije omogočajo predvsem encimi, zapletene molekule, večinoma beljakovine, ki delujejo kot nekakšni kemični pospeševalci.

Brez njih bi številne reakcije, potrebne za življenje, potekale prepočasi.

Toda tu naletimo na težavo, podobno vprašanju o kokoši in jajcu.

Tudi encimi morajo nastati oziroma jih mora nekaj izdelati. Kako so torej prve presnovne reakcije lahko sploh potekale, še preden je obstajal celični sistem, ki bi jih izdeloval?

Presnova je morala nastajati postopoma

"Omrežje približno 400 reakcij, ki vodik, ogljikov dioksid, amonijak, vodikov sulfid in fosfat pretvarja v aminokisline, baze in kofaktorje, ni moglo nastati v trenutku," so v raziskavi poudarili avtorji, raziskovalci pod vodstvom evolucijskega biologa Williama Martina z univerze Heinricha Heineja v Düsseldorfu.

Tako so predlagali presenetljiv odgovor: delo današnjih encimov je sprva morda opravljala kar neživa narava.

Kemične reakcije, ki so pozneje postale del presnove živih bitij, naj bi omogočali kovinski ioni in druge anorganske snovi v okolju, ki so delovali kot katalizatorji.

LUCA – prednik vsega današnjega življenja

Če se po evolucijskem drevesu vračamo vedno dlje v preteklost, pridemo do hipotetičnega skupnega prednika vseh danes živečih organizmov.

Znanstveniki ga imenujejo LUCA – (angleško: Last Universal Common Ancestor; zadnji univerzalni skupni prednik).

LUCA ni nujno predstavljal enega samega organizma in tudi ni "prvo življenje na Zemlji". Izraz označuje skupino oziroma populacijo organizmov, iz katere izvirajo vse danes živeče oblike življenja.

Iz te zelo zgodnje skupne razvojne linije sta se ločili dve temeljni veji življenja – bakterije in arheje.

Toda nova raziskava nakazuje nekaj presenetljivega. LUCA po modelu raziskovalcev morda še ni imel popolnoma samostojne presnove.

"Ugotovili smo, da je imel zadnji univerzalni prednik vseh celic encime le za približno polovico presnovnih reakcij," je pojasnil Martin.

Za drugo polovico naj bi skrbeli kovinski in drugi anorganski katalizatorji v okolju.

Če je bilo res tako, je bil LUCA nenavadno bitje oziroma sistem: imel je gene in encime ter se je lahko lahko razmnoževal in evolucijsko spreminjal, vendar je bil pri delu svoje osnovne kemije še vedno priklopljen na okolje, v katerem je živel.

Rečeno bolj po domače: ni še mogel preprosto "spakirati kovčkov" in živeti kjerkoli.

Štirje koraki do samostojnega življenja

Raziskovalci so analizirali strukture encimov, ki pri bakterijah in arhejah danes omogočajo osnovne presnovne reakcije, ter skušali rekonstruirati zaporedje njihovega nastanka.

Iz tega so sestavili model štirih razvojnih stopenj.

Na začetku encimov sploh ni bilo in so reakcije omogočali anorganski katalizatorji iz okolja.

Nato so nastajali prvi encimi, ki so postopoma prevzemali posamezne naloge teh katalizatorjev.

V naslednjih fazah je bilo encimov vse več, odvisnost zgodnjih celic od posebnih kemičnih razmer v okolju pa je bila vse manjša, dokler niso nastale celice, ki so bile sposobne vse ključne presnovne reakcije izvajati same.

Takšne organizme avtorji označujejo kot prostoživeče celice.

In prav tukaj se skriva najbolj presenetljiva ugotovitev raziskave.

Bakterije in arheje so problem rešile vsaka zase

Raziskovalci so ugotovili, da bakterije in arheje za nekatere enake temeljne presnovne reakcije uporabljajo encime, ki si po strukturi niso sorodni.

Če bi takšen encim obstajal že pri njunem skupnem predniku, bi pričakovali, da bosta obe skupini podedovali podobno različico.

Toda pri nekaterih ključnih reakcijah ni tako.

"Vidimo primere, v katerih so predniki bakterij in arhej neodvisno razvili strukturno različne encime za kataliziranje iste bistvene presnovne reakcije," je povedala soavtorica raziskave Natalia Mrnjavac z univerze Heinricha Heineja.

Po mnenju raziskovalcev to kaže, da sta se razvojni poti bakterij in arhej ločili, še preden je katera od njiju postala presnovno povsem samostojna.

Nato sta obe neodvisno rešili isti problem: kako kemične reakcije, ki jih je prej zagotavljalo okolje, prenesti v lastno celico.

"Takšni vzporedni izumi bi lahko utrli pot neodvisnemu nastanku prostoživečih bakterij in arhej," pravi Mrnjavac.

Je torej življenje res nastalo dvakrat?

Odgovor je odvisen predvsem od tega, kje potegnemo črto med živim in neživim.

Genetski sistem, iz katerega izvirajo bakterije in arheje, je po tem scenariju nastal samo enkrat. Obe skupini imata skupnega prednika in uporabljata isti temeljni genetski kod.

Nista torej rezultat dveh povsem ločenih dogodkov, pri katerih bi življenje dvakrat neodvisno vzniknilo iz nežive snovi.

Toda Martin zagovarja strogo definicijo: popolnoma živa celica mora biti sposobna samostojne presnove.

Če sprejmemo takšno definicijo, potem LUCA še ni bil povsem samostojno živo bitje, bakterije in arheje pa so zadnji korak do takšnega življenja naredile vsaka zase.

Martin zato rezultat raziskave povzema precej drzno: "En izvor genetskega koda, vendar dva izvora življenja."

Kje se konča kemija in začne življenje?

Raziskava tako ne daje dokončnega odgovora na vprašanje, kako je življenje nastalo.

Prav tako ne dokazuje, da sta na Zemlji obstajala dva povsem neodvisna začetka življenja. Bakterije in arheje imajo skupno evolucijsko zgodovino in skupen genetski izvor.

Ponuja pa zanimivo drugačno predstavo o samem prehodu.

Morda ni obstajal en sam trenutek, ko je neživa snov nenadoma "oživela".

Namesto tega je lahko šlo za dolgotrajen proces, v katerem je neživa narava sprva opravljala del nalog, ki jih danes povezujemo z življenjem.

Nastajajoči biološki sistemi so nato te naloge eno za drugo prevzemali in zanje razvijali lastne encime, dokler niso postali povsem samostojni in neodvisni od okolja, ki jih je ustvarilo.

In če imajo Martin in njegovi sodelavci prav, sta dve veliki veji življenja zadnji korak čez ta prag naredili ločeno.

Morda zato vprašanje, kdaj je na Zemlji nastalo življenje, sploh nima tako preprostega odgovora, kot smo si predstavljali.

Kajti še preden je obstajalo življenje, je del njegovega dela morda že opravljala neživa narava.