Egzistencinio klausimo nagrinėjimas iš mokslo pusės.

Ką vadiname gyvybe? Nagrinėjant šį klausimą išskirtinai Žemės atžvilgiu ir apsiribojant tuo, kad gamtoje egzistavo iki žmogaus, tampa aišku, kad virusai, bakterijos, archėjai, grybai, gyvūnai, augalai ir vienaląsčiai jų giminaičiai — tai gyva, o visa kita — ne. Taigi, gyvybę galima apibrėžti kaip evoliucionuoti natūralios atrankos būdu gebančią cheminę sistemą.

Jei sistema cheminė, ji turi būti sudaryta iš atomų ir molekulių, tarp kurių vyksta reakcijos. O gebėjimas evoliucionuoti natūralios atrankos būdu išreiškiamas keturiomis sąlygomis. Pirma, reikia dauginimosi: kažkokios organizmų, ląstelių ar dar kokių nors vienetų grupės, galinčios kurti į save panašias replikas. Antra, būtinas kintamumas, tai yra, palikuoniai negali būti tikslios protėvių kopijos. Trečia, turi būti paveldimumas, tai yra, palikuonių skirtumai turi būti perduodami kitoms kartoms, o ne išnykti anūkuose. Ir dar reikia atrankos, tai yra, skirtumai turi būti veikti tikimybę daugintis ir toliau.

Materialus evoliucijos pagrindas — ne taip svarbu. Žemėje toks informacijos apie gyvybę nešiklis yra nukleino rūgštys, tačiau yra, pavyzdžiui, evoliucinis programavimas, kur visi šie procesai vyksta su nuliais ir vienetais kompiuterio atmintyje. Evoliucijos tyrimų užduotims tokią sistemą galima laikyti gyvybe, nes sunku įsivaizduoti, kad kompiuteris galėtų atsirasti pats savaime, be planavimo ir konstravimo.

Tačiau ir egzobiologinis gyvybės apibrėžimas turi savo problemų: jei paimsime vieną skruzdėlę darbininkę, tai ji nelaikytina gyvybe, nes negali daugintis. Atitinkamai, visa dalis apie evoliuciją jai irgi tinka. Arba jeigu medicina labai išsivystys, jei iš anksto žinosime paveldimas ligas ir atliksime genetines korekcijas, jei kiekvieno vaiko genomas bus sukurtas dizainerio, tai žmonių, kaip rūšies, darvinistinė evoliucija nebeveiks. Mūsų evoliucijos režimas bus visiškai kitas, netgi pavadinimo jam neturime. Bet ar dėl to nustosime būti gyvi?

Cheminiai gyvybės požymiai

Požymiai, pagal kuriuose galime patogiai ir greitai atskirti gyva nuo negyvo, yra veikiau cheminiai. Pirma, tai chiralinis grynumas. Aminorūgščių, nukleotidų ir daugelio kitų sudėtingų medžiagų molekulės gali būti dviejų veidrodinių formų — kairės (L) ir dešinės (R). Tačiau gyvi organizmai aiškiai linkę į vieną iš jų, tai yra, visi mūsų baltymai sudaryti iš L-aminorūgščių, o visose DNR ir RNR yra cukrus R-ribozė, ir šios taisyklės išimčių nėra.

Dešininių, tai yra, R-aminorūgščių gyvuose organizmuose būna, tačiau jų nėra baltymuose, ir jų funkcijos kur kas kuklesnės. Todė, jeigu kitoje planetoje rasime chirališkai grynos organinės medžiagos gumulėlį, tai netgi jis nejuda ir nesidaugina, tai galima sakyti, kad jeigu tai ir ne gyvybė, tai bent jau kažkada buvo gyvas.

Yra antras požymis, kuris veikiau fizikinis. Daugelio cheminių elementų atomai būna kelių rūšių, jie skiriasi atomine mase ir vadinami izotopais. Yra įprastas, lengvas anglies izotopas, kurio atominė masė 12 a.m.v. ir kitas, sunkesnis, kurio atominė masė 13 a.m.v. Yra ir dar sunkesnis izotopas, kurio atominė masė 14, tačiau jis radioaktyvus ir greitai suskyla.

O štai ¹²C ir ¹³C stabilūs, jie egzistuoja neribotai ilgai. Gamtoje ¹³C atomų yra maždaug šimtą kartų mažiau nei ¹²C, ir žemiška gyvybė labiau „mėgsta“ lengvąją anglį. Lygindami augalų ar gyvūnų anglies izotopų sudėtį su negyvosios gamtos anglies izotopų sudėtimi, pamatysime, kad gyvose medžiagose ¹³C dalis mažesnė.

Visa biosferos anglis patenka per augalus, kurie atlieka fotosintezę ir iš anglies dvideginio daro cukrus. Tai netrumpa cheminė reakcija, vadinama Kalvino ciklu. Tarpiniai šio ciklo produktai keliauja nuo vieno fermento prie kito paprasčiausiai difunduodami, o difuzija vyksta tuo greičiau, kuo lengvesnė molekulė. Todė molekulė, kurioje yra sunkesnis anglies atomas, kiekvieną stadiją praeina truputėlį lėčiau ir dėl to galiausiai atsilieka.

Tuos augalų cukrus suėdančiuose ir iš jų savo riebalus ir baltymus kuriančiuose gyvūnuose šis procesas kartojasi, ir ¹³C dalis tampa dar mažesnė. Dabar taip analizuojamos maitinimosi grandinės: iš tropiniuose miškuose ar vandenyno gelmėse rasto gyvūno palaikų, niekada nemačius jo elgsenos gamtoje, vien atlikus izotopų analizę, galima maždaug nustatyti, kuo jis maitinosi. Kitaip tariant, ar jis buvo žolėdis, plėšrūnas ar maitėda.

Veidrodinė gyvybė

Baltymams ir nukleino rūgštims būdingas chirališkumas: šios molekulės nesutampa su savo veidrodiniu atvaizdu, tai yra, gali būti kairinės ir dešininės formos. Tuo tarpu realiose ląstelėse baltymai visada būna kairinės formos, o DNR dešininės, ir šios taisyklės išimčių nėra. Galima įsivaizduoti veidrodinę gyvybę, su dešininio chirališkumo baltymais ir kairinio chirališkumo DNR. Ji gali niekuo kitu nuo mūsų nesiskirti, tačiau bus nesuderinama, tai yra, natūralūs mūsų biosferos virusai tokiai veidrodinei ląstelei negrės. Ir genetines medžiaga veidrodinė gyvybė su mūsiške irgi negalės.

Tai labai naudinga taikomajai biotechnologijai. Pavyzdžiui, kurdami veidrodinę bakteriją, kuri labai gerai skaido plastmasę, norime, kad ji gyventų tik atliekų perdirbimo įmonėje, negalėtų patekti į aplinką ir ėsti plastiko mūsų namuose. Todėl, jei padarysime ją negalinčią kurti jai gyvybiškai svarbių vitaminų, tada ji gyvens tik ten, kur tais vitaminais jos maitinamos, tai yra, įmonėje, ir pabėgti negalės. Ir savo plastiko valgymo genų laukinėms bakterijoms jos irgi negalės, nes vienų DNR kairinė, o kitų dešininė.

Kinų mokslininkai sukūrė veidrodinį veikiantį fermentą Taq polimerazę, kuri kopijuoja veidrodinę DNR. Iki veidrodinių ląstelių kol kas dar toloka, bet kryptis aiški.

Kodėl mūsų planetoje būtent tokia asimetrija — labai sudėtingas klausimas. Įdomu, kad chiralinė asimetrija tikriausiai vyresnė už gyvybę, nes aminorūgščių yra ne vien gyvose ląstelėse. Yra meteoritų, sudėtyje turinčių organinių medžiagų, tarp kurių ir aminorūgštys. Ir aminorūgščių kairinių izomerų ten truputį daugiau nei dešininių, — 1–2%. Sakyti, kad ten grynai kairinės aminorūgštys ir dešininių nėra, kaip kad ląstelėse, negalima, tačiau šioks toks polinkis į kairę pusę jau yra. Ir tai tokios aminorūgštys, kokių biochemijoje nėra, tai yra, ląstelės jų negamina ir nevalgo. Tad, tai gyvybės, nesusijusios su žemiška, produktas.

Šios meteoritinės aminorūgštys buvo atrastos praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje ir iš pradžių manyta, kad tai patvirtina panspermiją: gyvybė rasta meteorituose. Iš kitos pusės, buvo skeptikų, sakiusių, kad meteoritus užkrėtė žemiškos bakterijos. Tačiau nuodugnesnės analizės parodė, kad jokia gyvybė — nei žemiška, nei egzoplanetinė — su šiomis aminorūgštimis niekaip nesusijusios, jos atsirado abiogeniškai. O štai iš kur ten atsirado nuokrypis į kairines formas — fizikos, o ne biologijos istorija.

Veikia įvairūs mechanizmai, galintys pasirinktinai ardyti vienus optinius izomerus ir aminorūgštis ir palikti kitus poliarizuotu spinduliavimu: ultravioleto, rentgeno ar poliarizuotais elektronais. Kosmose poliarizuotą ultravioletinę šviesą skleidžia kai kurių tipų žvaigždės, turinčios stiprų magnetinį lauką. Pavyzdžiui, Oriono ūke, kur aktyviai formuojasi naujos žvaigždės, ultravioletinę ir regimąją šviesą poliarizuoja tarpžvaigždinės dulkės. Jei Saulės sistema formavosi Oriono ūką primenančiame debesyje, tai dar iki susidarant planetoms, kosminėse dulkėse galėjo dešininių aminorūgščių galėjo likti mažiau nei kairinių.

Poliarizuotų elektronų šaltinis — beta skilimas, vienas iš branduolinio skilimo tipų. Vykstant β skilimui, elektronai visada būna kairinės poliarizacijos, ir aktyviau ardo dešininio chirališkumo aminorūgštis. Kodėl vykstant β skilimui elektronai visada būna kairinės poliarizacijos — vienas iš klausimų, į kuriuos turi atsakyti fizika už Standartinio modelio ribų.

Būdami Žemėje mes šių dviejų mechanizmų atskirti negalime, o jie skiriasi štai kuo: beta; skilimas Visatoje vyksta taip pat, sukurdamas kairinės poliarizacijos elektronus ir kurs kairinių aminorūgščių perteklių. O žvaigždiniuose poliarizuotos ultravioletinės šviesos šaltiniuose visada būna magnetinis laukas su dviem poliais — šiauriniu ir pietiniu. Bet koks tokio tipo šaltinis iš vienos pusės kuria vieno ženklo poliarizaciją, o iš kitos — kitą. Tai yra, gali būti, kad Saulės sistema tiesiog buvo reikiamoje tokio šaltino pusėje. O jei būtų buvusi kitoje pusėje, galbūt gyvybė būtų su kitokiu chirališkumu.

Iš esmės, reikėtų kitų žvaigždžių planetose surasti kelis gyvybės pavyzdžius ir pažiūrėti, gal ten yra R aminorūgščių gyvybė. Jeigu visoje Galaktikoje aptiksime tik L aminorūgščių gyvybę, vadinasi, tai lemia branduolinė fizika. O jeigu L ir R aminorūgštys bus aptinkamos daugmaž po vienodai, vadinasi, kaltos žvaigždės.

Kaip tirti gyvybę

Kai tiriami kokie nors praeities įvykiai, tarkime, kosmologija, gyvybės atsiradimas, archeologija ar istorija, visiško konsensuso mokslininkai nepavyksta, nes patikrinimo eksperimentų atlikti neįmanoma: viskas jau įvyko. Todėl aiškintis, kas ir kaip nutiko, tenka kaip kriminalistikoje — remiantis tiesioginiais ir netiesioginiais įkalčiais.

Kiekvienas tyrimas, kuriuo stengiamais atsakyti į klausimą „Kaip atsirado gyvybė?“, modeliuoja kokią nors vieną viso proceso stadiją: nuo pirmųjų molekulių atsiradimo iki gyvybės užgimimo. O štai viename eksperimente visko drauge dar nesubūrė. Daugiausiai pasiekė bandę atkurti RNR pasaulį. Visų pirma jie bandė gauti RNR molekulę, kuri galėtų kopijuoti save ar bent jau kitas panašaus sudėtingumo RNR molekules. Per daugiau nei du dešimtmečius jie šio rezultato nepasiekė. Panašu, gryna RNR to visgi nesugeba. Reikia kokios nors mineralinės dangos, aminorūgščių pagalbos, be to, veikiausiai sujungtų į trumpus peptidus. Tai yra, su vienu molekulių tipų išsisukti nepavyksta.

Gyvybės kilmės tyrimus apsunkina ir organizavimo problemos, nes tai yra tarpdisciplininė sritis, drauge turi dirbti skirtingų specialybių mokslininkai. Chemikai, kurie geriau moka atlikti visokias sintezes. Biologai, kurie geriau žino, kaip pas mus atsiradusi gyvybė iš tiesų sudaryta. Geologai, kurie geriau žino, kokios senovėje galėjo būti sąlygos Žemėje, kokie ten buvo mineralai, o kokių visai nebuvo. Ir tokios tarpdisciplininės komandos suburiamos toli gražu ne visada.

Purvo katilai kaip gyvybės lopšys

Puikus tarpdisciplininių tyrimų pavyzdys — biologo Armeno Y. Mulkidjaniano ir geologo Andrey'aus Bychkovo sandarbis. A. Mulkidjanianas šio amžiaus pradžioje norėjo pagrįstai paprieštarauti tuo metu paplitusiai nuomonei apie gyvybės atsiradimą jūros dugne, „juodųjų rūkorių“ geoterminėse versmėse ar šarmingose hidrotermose, kur tamsu, šilta ir didelis slėgis. Jis rado duomenų, liudijančių nukleotidų atsparumą ultravioletiniam spinduliavimui, ir atlikęs papildomus eksperimentus, pademonstravo, kad nukleotidams jungiantis į RNR ar DNR grandines, atsparumas padidėja. O jeigu tai dviguba spiralė, tai ji atsparesnė už viengubą grandinėlę. Tai yra, ultravioletinė spinduliuotė galėjo būti atrankos faktoriumi dar prieš atsirandant kokiai nors gyvybei. Ir tada Mulkidjanianas ėmė dairytis tinkamos gyvenamos vietos RNR pasauliui ant kokio nors apšviesto paviršiaus.

Jam teko gan giliai kapstytis biochemijoje ir ląstelės druskų sudėtyje. Gan paplitusi frazė, kad mūsų kraujas panašus į jūros vandenį. Išties, ir ten ir ten daugiausiai yra NaCl, valgomosios druskos. Taip nutiko, nes pirmieji kraują turėję gyvūnai atsirado jūroje, neturėjo inkstų ar kitų organų kontroliuoti druskų sudėtį. Todėl kraujas ir kiti ląsteles skalaujantys vidaus skysčiai, druskų sudėtimi nesiskiria nuo jūros vandens. O kai atsirado inkstai, ką nors keisti jau buvo vėlu, nes nuo tokios druskų sudėties priklausė įvairūs svarbūs procesai, pavyzdžiui, nervinio impulso perdavimas ir išradinėti kokių nors naujų, inkstus taupančių, mechanizmų gyvūnai nesiėmė.

Atitinkamai, jei paimtume ne visą organizmą su jo vidiniais skysčiais, o atskirą ląstelę, tai vadovaujantis tokia analogija, galima būtų daryti prielaidą, kad gyvybės lopšio druskų sudėtis turėjo būti panaši į ląstelės vidaus aplinką, citoplazmą, nes ląstelės citoplazmos druskų sudėtį palaiko membrana, kuri neleidžia druskai laisvai judėti. Jose yra transportiniai baltymai, kurie reikiamas druskas gabena vidun, o nereikalingas – išorėn ir tam pumpavimui sunaudoja nemenkai energijos.

Kuo gi citoplazma skiriasi nuo jūros vandens? Jūroje daugiau natrio ir chloridų, o citoplazmoje — kalio ir fosfatų, ir ne paprastų neorganinių fosfatų, o sujungtų su organinėmis molekulėmis: gliukozės fosfatų, nukleotidų, DNR, RNR ir taip toliau. Gyvoms ląstelėms natris jų viduje labai nepatinka ir jos daug energijos naudoja jo pumpavimui išorėn, ir kalio pumpavimui vidun. Ribosomoje yra kelios dešimtys kalio jonų, ir, juos pakeičia natris, ji nustoja veikti. Kad veiktų kiti svarbūs fermentų, pavyzdžiui kopijuojantys DNR, juose irgi privalo būti kalis, o ne kas nors kita. Taigi, aiškiai turėjo būti kažkoks gyvybės lopšys turtingas, pageidautina, tirpios formos, kalio ir fosforo.

Mulkidjanianas nuėjo pas geologus ir ėmė klausinėti, ar gamtoje būna tokių vandens telkinių, kur kalio daug, o natrio mažai. Ir pasiekė jis vulkanologą Andrey'ų Bychkovą, o jis apie tokius telkinius žinojo — jis tyrinėja karštąsias Kamčiatkos versmes. Tarp jų yra tokių, kuriuose daug kalio ir daug fosforo, dažniausiai tai purvo katilai ir kai kurie geizeriai.

Kaip randasi karštosios versmės? Šaltas vanduo — lietaus, upių, sniego — per plyšius teka į karštus vulkaninius židinius, kur įkaista, iš dalies užverda, o paskui garai ir karštas vanduo per kitus plyšius veržiasi viršun. Jei išsiveržia labai karšti garai, tai susidaro fumarolė, o jei išteka karštas skystas vanduo – terminė versmė.

Purvo katiluose garai eina stabiliai, tačiau jo srautas silpnesnis, nei fumarolėse, ir ne toks karštas, todėl, išsiverždamas iš žemės, kondensuojasi ir susidaro skystis. Tai primena distiliavimą laboratorijoje, kai nuo vanduo atskiriamos druskos ir susidaro distiliatas. Tačiau vulkaninių židinių temperatūra aukštesnė, o kanalų sienelės visgi ne iš gryno stiklo, o iš visokių įdomių mineralų, todėl vandenyje atsiranda priemaišų.

Tokiose priemaišose gali būti kalio ir fosforo, be to, fosforo kaip fosforo oksidas, o taip pat kai kurių metalų, – cinko, mangano ir molibdeno, kurie kaip tik yra ląstelei būtini mikroelementai. Į purvo katilus patenka nemažai lakios silicio rūgšties, kuri nusėda šaltame vandenyje, sudarydama smulkiagrūdį molį. Tiesą sakant, dėl to purvo katiluose ir yra purvo. Juose ne skaidrus skystis, o skystas pilkas ar rusvas molis, ir per kurį burbuliuoja garai ir vulkaninės dujos. Natūralu, ten patenka ir vulkaninėse dujose esantis sieros dioksidas, vandenilio sulfidas, angliarūgštė, amoniakas. Ir susidaro geras kokteilis, kuriame galėjo susidaryti įvairūs įdomūs junginiai. Druskų sudėtimi būtent purvo katilai idealiai primena gyvybės lopšį. Be to, jie yra sausumoje ir juos apšviečia Saulė.

Nukleino rūgščių susidarymas

Gera nukleino rūgščių žaliava — du nuodai: vandenilio cianidas ir formaldehidas. Senovės Žemėje šiais nuodais lijo. Mums pavyko išvysti, kaip tai vyksta Saturno palydove Titane, kosminiu zondu „Cassini“. Titanas didesnis už Mėnulį, jo atmosfera iš azoto su metano priemaišomis. Metanas nuolat išsiskiria į atmosferą iš šio palydovo gelmių, ir į jį šviečia Saulė. Ultravioletinis spinduliavimas suskaido metaną ir susidaro įvairios įdomios medžiagos: acetilenas, vandenilio cianidas, cianoacetilenas. Dėl to vėsesnėje Titano atmosferos dalyje, ašigaliuose, tvyro užšalusio vandenilio cianido kristalėlių debesys.

Senovinės Žemės atmosferoje irgi buvo azoto, iš jūros dugno irgi kilo metanas, o paviršių apšvietė Saulė. Bet kadangi Žemė yra arčiau Saulės, tai ir ultravioletinio spinduliavimo kiekvienam kvadratiniam metrui teko daugiau nei šimteriopai,todėl turėjo lyti tikri vandenilio cianido lietūs. Saulės skaidomas metanas gali reaguoti su vandeniu ar anglies dvideginiu, sukurdamas formaldehidą ir acetaldehidą. Šie junginiai irgi tirpūs ir kris su lietumi.

Pasinaudodami šiomis žiniomis, chemikai gerokai pasistūmėjo abiogeninės nukleino rūgščių sintezės srityje. Visų pirma, reikia pažymėti Manchesterio universitete dirbančią Johno Sutherlando vadovaujamą grupę. Jiems, grubiai tariant, pavyko vienoje sistemoje, grubiai tariant, viename inde, iš vienų ir tų pačių žaliavų vienu metu gauti visus keturis RNR nukleotidus ir dar dešimtį baltymuose randamų aminorūgščių.

Membranos susidarymas

Jei DNR ir RNR susidarymo klausimas daugmaž aiškus, tai membranos atsiradimo — kol kas atviras. Yra vadinamosios pirminės picos idėja: pirmosios gyvybės formos apsieidavo be šiuolaikinių ląstelių naudojamų lipidinių membranų. Nuo išorinės aplinkos jos galėdavo atsiriboti mineralinėmis sienelėmis. Šlapias molis — ganėtinai sluoksniuota medžiaga, ir tarp mineralinių sluoksnelių susidaro kelių molekulių storio tarpsluoksniai, kur RNR ar baltymo atkarpa puikiausiai telpa. Dabar tokių sluoksniuotų molio tipų galima rasti parduotuvėje po etikete „mineralinis kačių tualeto užpildas“.

Alternatyvi – pirminio majonezo – hipotezė teigia, kad lipidai, tai yra, membranas sudarančios medžiagos, buvo jau nuo pat pradžių ir gaubė RNR molekules. Ekstremaliomis sąlygomis vandens beveik nelieka, ir eksperimentuose tokioje majonezo konsistencijos terpėje nukeotidai labai gerai jungiasi į grandinėles. Abiogeninių RNR rekordas — maždaug šimto nukleotidų grandinėlė.gauta būtent majoneziškoje, riebalinėje fazėje.

Iš kur šių riebalų tiek daug radosi, žinoma mažiau. Riebalingos medžiagos geriausiai susidaro „juodųjų rūkorių“ sąlygomis: reikia aukšto slėgio ir temperatūros, o žaliava gali pasitarnauti anglies monoksidas. Tokios chemijos technologijos analogas yra Fischer-Tropsch procesas. Antrojo pasaulinio karo metu šis procesas Vokietijoje naudotas benzino gamybai iš akmens anglies.

Purvo katilai prieš juoduosius rūkorius

Kai Mulkidjanianas ir Bychkovas savo purvo katilų kaip gyvybės lopšių teoriją publikavo, visa tai atrodė gan hipotetiška. Juoduosius rūkorius galima jei ne paliesti ranka, tai nusileidus batiskafu, atlikti matavimus, paimti pavyzdžius. O štai tokių senovinių bedeguonių purvo katilų niekur Žemėje nebeliko: deguonis visiškai pakeitė jų chemiją, ten daug sieros rūgšties, labai rūgšti aplinką, ir ten praktiškai niekas negyvena.

2013 metais Mulkidjaniano ir Bychkovo straipsnį perskaitė australas geologas Martinas J. Van Kranendonkas. Jis seniai domisi Pilbara rajonu — bevandenėmis Vakarų Australijos dykumomis. Dabar ten beveik nėra gyvybės, tačiau labai daug naudingų iškasenų: nuo anglies ir geležies iki aukso ir urano. Tai vienas iš seniausių žemės plutos blokų, jam 3,5 milijardai metų.

Žemės pluta nuolat susidaro ir ỹra. Vandenyno plutoje šie procesai vyksta greitai: ji susidaro vandenyno vidurio kalnagūbriuose ir neria į gilų tarpeklį po žemynu. Okeaninės plutos, senesnės nei 200 milijonų metų, senesnės už mezozojų, Žemėje neliko. O žemynai niekur visiškai nedingsta, tačiau juose vyksta erozija: pučia vėjai, juos gramdo ledynai, merkia lietūs. Smėlis braižo uolas ir per milijardus metų gali pribraižyti labai daug. Ant uolų išauga savo šaknimis jas skaldantys medžiai, taip bandantys gauti sau truputėlį fosforo. Tai yra, žemyninė pluta irgi ỹra. Senovinių žemės plutos plotų esama, tačiau jie beveik visur palaidoti po nuosėdomis. O štai Skandinavijoje, Kolos pusiasalyje, Australijos Pilbara rajone ir Pietų Afrikoje yra vietų, kur itin sena pluta išeina į paviršių.

Pilbara jau seniau garsėjo iškasamais 3,5 milijardų metų amžiaus bakterijų kilimų sluoksniais. Geologai manė, kad nuosėdų susidarymo ir aktyvaus bakterijų augimo metu Pilbara buvo seklavandenė šilta jūra. O štai Mulkidjaniano ir Bychkovo darbą perskaitęs Martinas Von Kranendonkas prisiminė, kad ten jam lyg ir pasitaikė mineralų, kurie būdingi ne jūrai, o veikiau antžeminėms karštosioms versmėms. Jam pasisekė, kad jo aspirantė buvo labai pastabi ir prikasė ten geizerito — mineralo, susidarančio tik antžeminėse karštosiose versmėse, jis auga iš garų, jūroje tai neįmanoma. Paskui ten aptiko turmaliną — boro turintį mineralą, kuris irgi susidaro tik netoli karštųjų versmių, o jūroje jis ištirpsta.

Tai yra, Pilbara'e iš tiesų buvo ne seklavandenė jūra, o antžeminis geoterminis laukas, lygiai kaip spėjo Mulkidjanianas ir Bykovas. Ir ten aptikti visi tie mineralai, kurie turėjo būti bedeguoniame geizerių ir purvo katilų lauke.

Fosforo paslaptis

Norint sukurti ląstelę, reikia daug fosforo. DNR ir RNR be fosforo sukurti nepavyks. Fosforo bėda yra ta, kad Žemėje jo yra nemažai, tačiau praktiškai visas jis guli kaip fosforitų, visiškai vandenyje netirpių ir chemiškai inertiškų kalcio fosfato mineralų pavidalu. Siekiantys iš jų išgauti fosforą augalai iš šaknų išskiria įvairias rūgštis ir tik tuomet šie fosforitai ir apatitai ima pamažu tirpti. Žmonės, iš apatitų gamina fosforo trąšas, ir taip pat juos apdoroja stipriomis rūgštimis.

Gyvybės lopšiui rūgštinė fosforo mobilizacija netinka, nes dvigubos DNR ir RNR spiralės, Watsono-Cricko poros ir teisingas RNR susisukimas įmanomas tik neutralioje aplinkoje. Pagal šį kriterijų jūra vienareikšmiai netinka: visų pirma, jūros vanduo dabar silpnai šarminis, o tuomet veikiausiai buvo silpnai rūgštus, nes atmosferoje buvo daug CO₂; antra, jūroje visada buvo daug kalcio, o tirpūs kalcio turintys fosfatai iškrenta į netirpias fosforito ir apatito nuosėdas.

Tačiau purvo katiluose fosforo daug, ir būtent tirpios formos. Ugnikalniuose, aukštesnėje nei tūkstančio laipsnių temperatūroje fosforitai skyla, ir fosforas išlekia su ugnikalnio dujomis oksidų pavidalu. Patekę į vandenį, fosforo oksidai P₄O₁₀ ir P₄O₆ suformuoja polifosfatus, kurie gerai tirpsta netgi esant kalcio. Negana to, polifosfatai — ne šiaip fosforas, o dar ir energijos šaltinis kaip ATP. Šioms grandinėms skylant į atskiras fosfatų grupes, galima gauti energiją.

Šviesa, kalis ir fosforas — trys įkalčiai, nurodantys gyvybės atsiradimo karštose antžeminėse verdenėse galimybę. Jūros dugne nė vienos iš šių sąlygų užtikrinti negalima.

Cinko pasaulis

Geležis, varis, cinkas, manganas, molibdenas ir kobaltas žmogaus organizme būtini kaip mikroelementai. Yra mikrobų, kuriuose į šį sąrašą dar reikia įrašyti nikelį ar volframą, ar gyvūnų, kuriems būtinas ir vanadis, tačiau tai jau visai egzotika. Įdomu, kad ląstelėse kaip ir geležies, daug cinko. Tačiau jeigu geležies daug ir aplinkoje, tai cinko ląstelėse milijoną kartų daugiau, nei dabartiniame jūros vandenyje. O senovėje cinko jūros vandenyje tikriausiai buvo dar mažiau. Tai yra, cinką ląstelės aiškiai koncentruoja labiau, nei visus kitus likusius elementus, o naudoja jį nebūtinai gyvybiškai svarbioms funkcijoms. Pavyzdžiui, yra toks baltymų modulis — cinko pirštai, jis yra įvairių su DNR ir RNR susijungiančių baltymų sudėtyje. Tačiau jų reikia tik teisingai susisukti baltymams ir niekam daugiau. Tačiau baltymus galima susukti ir be deficitinio cinko, o tai reiškia, kad tokie baltymų elementai galėjo rastis tik ten, kur cinko buvo daug, — tai kaip Eldoradas, kur namai statomi iš aukso plytų.

Yra nedidelis, maždaug 60–70 rinkinys absoliučiai universalių ir labai senų baltymų, kurie yra bet kurioje ląstelėje. Šie baltymai atlieka svarbiausias funkcijas, jie absoliučiai nepakeičiami. Ir juose yra cinko, o geležies nėra. Ir kaip galėjo atrodyti cinko gausi aplinka? Anoksinėje epochoje cinkui ištirpti buvo sunku, nes buvo daug vandenilio sulfido, kuris bet kokias tirpias cinko druskas iš tirpalų nusodina netirpaus cinko sulfido pavidalu.

O maži cinko sulfido kristalėliai labai įdomiai reaguoja į šviesą. Jie gali sugerti mėlyną ar ultravioletinę šviesą ir paskui, pavyzdžiui, fluorescuoti. Vandenyje apšviestas cinko sulfidas gali redukuoti kokias nors medžiagas, pavyzdžiui angliarūgštę, ir vyksta tokia mineralinė fotosintezė. Cinko sulfido kristalai tuo pačiu suyra, siera oksiduojasi, o cinkas patenka į tirpalą. Susidaro terpė, kur daug ištirpusio cinko, ir jeigu ten priburbuliuoja sieros vandenilis, tai kol yra šviesos, cinkas į tirpalą sugrįš. Štai ir cinko turtinga terpė.

Paskutinis bendras protėvis

Gyvybės istorija — prisitaikymo prie aplinkos atsiradimo istorija. Žemės gyvybė būtent tokia susiformavo būtent todėl, kad Saulės sistema bendrai ir Žemė konkrečiai yra būtent tokia.

Jei Žemė būtų kiek arčiau Saulės, tai būtų kaip Veneroje. Venera nespėjo pakankamai atvėsti, kad atsirastų skystas vanduo. Panašu, vandens iš pradžių ten buvo tiek pat, kiek ir Žemėje, tačiau visas jis buvo garų pavidalu itin tankioje atmosferoje, kur Saulės vėjas pamažu jį nupūtė. Ir galiausiai Venera tapo sausa ir negyva planeta.

Šiuose skaičiavimuose neaišku, kaip stipriai reikia judinti Žemę, kad būtų pasiektas toks pats efektas, kaip Veneroje. Tačiau kuo arčiau Saulės ji būtų, tuo ilgiau būtų vėsusi iki gyvybei tinkamos temperatūros. Galbūt ji nebūtų spėjusi atvėsti iki tokios temperatūros prieš prasidedant vėlyvajam kosminiam bombardavimui, ir gyvybė būtų užsimezgusi jau po jos. Nežinau, kaip tai būtų viską pakeitę.

Dabar manome, kad gyvybė meteoritinį bombardavimą išgyveno. Ir tai rodo štai koks požymis: kai pagal DNR sekas pradėti kurti įvairių mikrobų, bakterijų ir archėjų giminės medžiai, paaiškėjo, kad seniausias ir žemiausiai esančios tokių medžių šakas užima hipertermofilai — verdančio vandens mėgėjai. Ir skaičiavimai rodo, kad vėlyvąjį bombardavimą hipertermofilai galėjo išgyventi. Kai krenta didelis asteroidas ir išgarina visą okeaną, Žemės paviršiaus temperatūra siekia 70 laipsnių. Hipertermofilams tai normalu, jie dar ir dauginasi, užgrobia pusę planetos. Todėl gali būti, kad visa po bombardavimo likusi gyvybė, — hipertermofilų palikuoniai, kurie paskui vėl priprato prie šaltų sąlygų.

Tačiau mūsų bendro protėvio atvaizdą atkurti labai nepaprasta, nes genus perduoda ne tik protėviai palikuoniams — dar vyksta ir horizontali genų pernaša. Kaip pagalcdabartinį kokio nors geno paplitimą skirtingose mikrobų grupėse nuspręsti, turėjo jie bendrą protėvį ar ne? Jei turi visi, tada tikriausiai buvo.

Tačiau genų, kuriuos turi visi organizmai, itin mažai: jų mažiau šimto. Tiek neužtenka visaverčiam organizmui, nes tarp tos genų šimtinės nėra nė vieno, susijusio su medžiagų apykaita. Visi jie veikia tik tokiuose centriniuose procesuose, kaip baltymų sintezė ir transkripcija. Be to, biologai nežino atvejo, kai viena ląstelė gali sudaryti uždarą ekosistemą, kur būtų ir organines medžiagas iš angliarūgštės darantis producentas, ir organiką vartojantis konsumentas.

Netgi vienaląsčiai organizmai visuomet sudaro daugiarūšes ekosistemas su darbo pasidalijimu. Ir genų medžiai rodo mums vieną bendrą visų bakterijų ir archėjų protėvį — Last universal common ancestor, LUCA, tačiau vargu ar tai buvo vienintelis savo laiko organizmas. Veikiausiai drauge su juo gyveno daugybė kitų formų. Ir jeigu, tarkime, mes visi ribosomas paveldėjome tik iš to bendro protėvio, LUCA ir iš nieko daugiau, tai kokie nors kiti, ne tokie svarbūs ląstelės komponentai, galėjo atitekti iš iš bedruomenės kaimynų, horizontalios genų pernašos būdu. Todėl, kai žvelgdami į šiuolaikinių bajterijų ir archėjų genus, rekonstruojame LUCA, niekada nežinome, ar mes rekonstruojame vieną organizmą ar kelių rūšių organizmų bendruomenę.

Minimalų tos bendruomenės genų rinkinį rasti galima. Bus normali mikrobų endruomenė, gyvenanti anoksinėje aplinkoje, 60–80 laipsnių temperatūroje — ne visai virimas, bet ir ne kambario temperatūra. Ši bendruomenė dievino sieros junginius, galėjo maitintis ir angliarūgšte, ir skruzdžių rūgštimi, ir anglies monoksidu, ir metanoliu, virškinti kažkokius kitų sukurtus cukrus. Tai yra, tai buvo labai lanksti sistema su įvairiais maitinimosi tipais. Ten tiksliai buvo ir organiką kūrę producentai, ir ją vartoję konsumentai.

LUCA ir jos kaimynų ląstelių sandara veikiausiai buvo maždaug tokio pat sudėtingumo, kaip šiuolaikinių bakterijų, ne paprasčiau. Jose jau buvo normalios ribosomos ir specifikos ląstelių membranos. Kadangi gyveno purvo katiluose, kur druskinė aplinka buvo ideali, per jų membraną druskos galėjo laisvai judėti. Tai yra, išlaikyti druskų būsenos ląstelėje jos dar nemokėjo.

Pamažu ląstelių struktūra sudėtingėjo. Kažkokios bakterijos ir archėjai nepriklausomai įsisavino jūros vandenį ar kokias kitas aplinkas ir darėsi tankesnes membranas ir stipresnius jonų siurblius. Prisitaikymas prie deguonies atsirado vėlai, nes ir deguonis toli gražu ne iš karto atsirado. Tačiau bendrų skirtingoms gyvybės grupėms prisitaikymų po prisitaikymo prie aerobinio gyvenimo, daugiau nieko ir nebuvo. Atsirado visokie atskiri prisitaikymai, susiję, pavyzdžiui su augalų ir grybų apsigyvenimu sausumoje: prisitaikymas išdžiūti, gyvenimui dirvoje, augalų ir grybų tarpusavio veikimui, sporų sklidimui oru ir dauginimuisi vandenyje. Ir tokios atskiros adaptacijos, žinoma, tęsiasi iki šiol.

Dabar vargu ar tebėra kokios nors bakterijų bendruomenės, panašios į pirmuosius protėvių konglomeratus: sąlygos pernelyg smarkiai pakito. Tos bendruomenės gyveno, visaų pirma, bevandenėje aplinkoje, o antra, apšviestos saule. Dabar šios dvi sąlygos kartu nebūna: arba anoksinė aplinka kur nors tamsybėse po žeme ar jūros gelmėse, arba nušviestos Saulės, bet šiu atveju deguonies atmosfera neišvengiama

Tokiu būdu, visa Žemės gyvybė turi praktiškai vienodus transliacijos, tai yra, baltymo sintezę koduojančius genų rinkinius. Nepaisant kai kurių kosmetinių skirtumų, žmonės, bakterijos ir archėjai šiuo atžvilgiu visiškai vienodi, ir šiuos požymius mes paveldėjome iš LUCA. Tačiau tai nereiškia, kad jis neturėjo ko nors kito. Tai tereiškia, kad mes apie tai tiksliai žinome, tačiau LUCA medžiagų apykaitos keliai buvo sudėtingesni. Tik membrana jo buvo primityvesnė, nei dabar.

Dar yra paslaptinga DNR kopijavimo mechanizmų istorija. Reikalas tas, kad bakterijose ir archėjuose DNR kopijavimas iš esmės vyksta vienodai. Ten yra replikacinė šakutė, vienu metu kopijuojanti dvi dvigubos spiralės grandines. Tačiau konkretūs replikacinės šakutės baltymai bakterijose ir archėjuose visiškai skirtingi ir negiminingi. Tai lyg tą pačią pjesę vaidintų skirtingi aktoriai.

O pažvelgus, kaip tai veikia virusuose, tai išvysime, kitus DNR kopijavimo sistemų variantus. Tad, DNR kopijavimas nepriklausomai atsirado kelis kartus — mažiausiai tris, o gal ir keturis. Ir kurį turėjo LUCA, visiškai nesuprantama. O štai transkripcija atsirado vieną kartą. Transliacija ir ribosomos taip pat atsirado vieną kartą. O DNR replikacijos mechanizmai daug kartų atsirado nepriklausomai, kokiu nors kitu pagrindu.

Veikiausiai DNR atsirado jau po ribosomų ir baltymų, kaip stabilesnė genetinė medžiaga. Ir gal buvo kažkokie tarpiniai mechanizmai, kai DNR buvo statoma ant RNR matricos, tik kaip retrovirusuose. Bendrai, DNR istorija labai marga ir kažkokia supainiota, kurios iki galo nesuprantame: kodėl replikacija radosi tiek daug kartų, kodėl viena sistema nepasirodė geriau už kitas ir jų neišstūmė.

Be dauginimosi, jokia gyvybė neįmanoma, todėl, vos atsiradus nukleino rūgštims, iš karto turėjo rastis ir jų kopijavimo mechanizmas: RNR pasaulio atveju turėjo atsirasti RNR replikacija. Kol kas eksperimentais patvirtinti šio proceso galimybės nepavyko, bet mokslininkai vis arčiau šio tikslo.

Gyvybė kitose planetose

Per 2021 metų Kalėdas paleisto James Webb teleskopo veidrodis daug didesnis, nei „Hubble“: šviesą jis renka ne iš dviejų su puse, o iš šešių kvadratinių metrų ploto, tad gali surinkti kur kas daugiau šviesos. Veidrodis šaldomas, todėl teleskopas gali veikti ne tik regimųjų, bet ir infraraudonųjų bangų diapazone. O be to, jis veikia ne žemoje Žemės orbitoje, o gan toli, už 1,5 milijonų kilometrų nuo Žemės, antrajame Lagranžo taške (L2), maždaug Mėnulio orbitoje, todėl Žemės spinduliavimas jam netrukdo.

James Webb teleskopu nufotografuoti pirmieji tiesioginiai egzoplanetų vaizdai. Tai proveržis, nes daugumos žinomų egzoplanetų nematėme kaip atskirų taškų greta žvaigždžių. Dauguma egzoplanetų aptinkame tranzito metodu: matome planetų sistemą iš šono ir prieš žvaigždės diską praskriejanti planeta žvaigždės spinduliavimą truputį prislopina. Jameso Webbo teleskopu užfiksuota planeta yra maždaug 6–12 kartų didesnė už Jupiterį dujų milžinė.

Žvaigždę pritemdant planetai, dalis žvaigždės šviesos eina per planetos atmosferą, ir pagal tai, kokius dažnius planetos atmosfera sugeria, galima suprasti, ar joje yra metano, ozono, deguonies, vandens garų ir ir kitų įdomių dujų. Toks būdas naudojamas tyrinėjant ir Saulės sistemos planetas. Marso orbitoje skriejantis zondas „EkzoMars“ stebi saulėtekius ir saulėlydžius ir registruoja, kaip kinta Saulės spalva, kai ji pasislepia už planetos disko ar iš už jo pasirodo.

„EkzoMars“ visų pirma ieško metano. Nes jeigu Marse kokia nors gyvybė yra, tai ji veikiausiai slepiasi po paviršiumi, ir analogiškai kaip Žemės gelmėse esančius mikrobus, paprasčiausia juos aptikti pagal jų išskiriamų dujų pėdsakus. O išskiria jie, greičiausiai, metaną. Metanas atmosferoje ilgai nesilaiko, saulės šviesa jį suskaido. Todėl jeigu metano ten yra nuolatos, vadinasi, jį kažkas išskiria. Jo prietaisai sukurti matuoti izotopinę šio metano sudėtį ir atskirti bakterijų išskiriamą nuo susidarančio vykstant geologiniams procesams.

2023 metų gegužę Nature Astronomy publikuotame straipsnyje rašoma, kad „EkzoMars“ spektroskopiniu kompleksu ACS buvo nustatyta, kad Marso atmosferoje esančio anglies monoksido molekulėse „sunkių“ anglies izotopų mažiau, nei įprastų.

Komentarai (2)