La inceputul anilor 1950, in timp ce lucra in domeniul chimiei pentru descoperirea hidrogenului greu, un cercetator pe nume Stanley Miller, avea sa descopere cum compusii organici pot fi sintetizati prin procese chimice destul de simple din substante anorganice. Miller era interesat de chimia originii vietii pe Pamant si a conditiilor care permit aparitia moleculelor care compun proteinele si ADN-ul.
Experimentul lui Stanley Miller din 1953 a aratat cum se pot obtine in laborator aminoacizii, pietrele de temelie ale vietii. Miller a luat doua retorte – una continand putina apa care sa reprezinte oceanul primitiv, iar cealalta un amestec de gaze din metan, amoniac si sulfura de hidrogen, care sa reprezinte atmosfera timpurie a Pamantului – le-a legat prin tuburi de cauciuc si a introdus cateva scantei electrice care sa simuleze un fulger. Dupa cateva zile, apa s-a facut verde si galbena, un bors consistent de aminoacizi, acizi grasi, zaharuri si alti compusi chimici. Aproximativ 2% din compusii organici aparuti erau amino acizi primitivi, baza tuturor lanturilor proteice care exista pe Terra, prin urmare… o posibila teorie asupra cum a aparut viata pe Pamant.
In pofida faptului ca teoria “supei primordiale” a suscitat multe dezbateri si a dat nastere multor lucrari stiintifice, Stanley Miller nu a primit niciodata Premiul Nobel.
De atunci, repetarea experimentelor lui Miller nu ne-a dus prea departe. Si oricum, nu producerea aminoacizilor este de fapt problema. Problema sunt proteinele.
Proteinele sunt compuse din aminoacizi asezati intr-o ordine anume, precum literele intr-un cuvant. Pentru a forma cuvantul “colagen”, numele unui tip frecvent de proteina, trebuie sa aranjezi sapte litere in ordinea corecta. Pentru a obtine colagen, trebuie sa aranjezi 1055 de aminoacizi intr-o anumita ordine, iar aici intervine improbabilitatea ca acest lucru sa se fi intamplat singur, spontan si fara indicatii.
Sansele ca o molecula cu asa de multi aminoacizi sa se reuneasca singura in mod spontan este practic nula.
Proteinele sunt entitati complexe. Hemoglobina are o insiruire de numai 146 aminoacizi si totusi ofera 10190 combinatii posibile. Deci sansele sunt extrem de mici ca evenimente aleatorii sa poata produce o singura proteina. Si totusi, vorbim de sute de mii de tipuri de proteine, fiecare unica si vitale pentru sanatatea noastra.
Proteinele sunt critice pentru functionarea normala a corpului uman. Sunt esentiale pentru structura, functia si reglarea tesuturilor si organelor organismului. Va puteti gandi la o proteina ca un sir de margele in care fiecare margea este un aminoacid.
Pentru ca proteinele sa ne fie de folos, e nevoie ca acestea sa se reproduca. Doar ca… proteinele nu pot face asta singure. Aici intervine ADN-ul, un maestru al replicarii. Avem asadar o situatie paradoxala. Proteinele nu pot exista fara ADN, iar ADN-ul n-are niciun rost fara proteine.
Pentru a obtine viata, nu avem nevoie doar de ADN si proteine. Proteinele si alti compusi ai vietii nu ar putea prospera fara o membrana care sa le cuprinda. Niciun atom si nicio molecula nu poate sa traiasca independent. Daca am decupla un atom din corpul nostru, n-ar fi cu nimic mai viu decat un fir de nisip. In lipsa unei celule, acestea sunt doar niste substante interesante.
Avand in vedere dependenta lor, cum au aparut acestea daca nu pot “trai” unele fara altele? E ca si cum toate ingredientele din bucataria noastra s-ar aduna cumva si s-ar fi copt singure, formand o prajitura – o prajitura care, pe deasupra, se poate diviza ori de cate ori este nevoie pentru a produce mai multe prajituri.
Avand in vedere complexitatea vietii de pe Pamant am putea spune ca este un miracol ca existam. Dar poate ca nu este chiar atat de miraculos cum pare.
Reactiile chimice pe care le asociem cu viata sunt ceva deja banal. O multime de molecule din natura se reunesc pentru a forma lanturi lungi, numite polimeri. Zaharurile se reunesc in mod constant pentru a forma amidonul. Cristalele pot face cateva trucuri asemanatoare vietii – sa se multiplice, sa raspunda unor stimuli din mediu, sa dezvolte o complexitate bazata pe tipare. N-au ajuns la stadiul de viata, dar, complexitatea este o stare fireasca, spontana si perfect previzibila.
Nu stim daca viata abunda in Univers, dar Universul nu duce lipsa de autostructurare spontana, ordonata, sub toate formele, de la simetria fulgilor de zapada pana la inelele lui Saturn.
Procesul acesta de reunire si organizare a materiei ne face sa ne gandim daca nu cumva viata e mai inevitabila decat am crezut. Pare a fi o manifestare obligatorie a materiei, care apare automat oriunde se indeplinesc conditiile necesare.
Substantele chimice din care suntem facuti nu au nimic special. Practic orice fiinta vie, fie ca este vorba de o furnica sau un om, este facuta din patru elemente principale: carbon, hidrogen, oxigen si azot plus cateva mici cantitati de sulf, fosfor, calciu sau fier.
Nu stim inca ce a declansat aparitia vietii, insa toate plantele si animalele isi au originile in zvacnirea primordiala. Intr-un anumit moment, o mana de substante chimice au inceput sa prinda viata, au absorbit ceva substante nutritive dupa care au murit. Poate ca acest lucru se mai intamplase de multe ori inainte. Dar acest pachet ancestral a facut ceva in plus, ceva extraordinar: s-a divizat si a produs un mostenitor. O cantitate minuscula de material genetic a trecut de la o entitate vie la alta si de atunci incoace isi continua neintrerupt drumul. Acela a fost momentul creatiei pentru noi toti si inceputul evolutiei.
Matt Ridley spune ca “oriunde te-ai duce in lume, orice animal sau planta, daca este vie, foloseste acelasi dictionar si stie acelasi cod. Viata este una peste tot”.
Suntem cu totii rezultatul unui truc genetic, transmis din generatie in generatie de cateva miliarde de ani. Din acest motiv putem lua un fragment de informatie genetica umana si-l putem introduce intr-o celula de drojdie incompleta, iar celula il va folosi de parca i-ar apartine. Si, in sensul cel mai strict, chiar ii apartine.
Terra, la inceputul vietii
Daca am avea o masina a timpului, n-am vrea sa ne intoarcem in momentul in care a aparut viata pe Pamant. Oxigenul respirabil era la fel de mult cat exista azi pe Marte, iar vaporii toxici ar fi suficient de puternici cat sa raneasca pielea. Tocanita chimica din care era alcatuita atmosfera ar fi lasat sa treaca prea putina lumina solara. Putinul pe care l-am vedea ar fi fost iluminat in scurte reprize de scanteile frecvente ale fulgerelor.
Vreme de 2 miliarde de ani, bacteriile s-au inmultit, au format colonii, insa fara sa prezinte un interes de a evolua in ceva mai complex. La un moment dat, cianobacteria, a invatat sa foloseasca o resursa disponibila la discretie: hidrogenul care abunda in apa. Absorbea molecule de apa, inghitea hidrogenul si elibera oxigenul ca reziduu, iar prin aceasta a inventat fotosinteza. Deci nu plantele au inventat fotosinteza, ci bacteriile.
Cianobacteriile s-au inmultit iar atmosfera se umplea de oxigen, spre consternarea acelor organisme pentru care acesta era otravitor. Globulele albe din sangele nostru chiar folosesc oxigenul pentru a ucide bacteriile invadatoare.
Oxigenul este in realitate toxic, dar noi il agream numai pentru ca am invatat prin evolutie sa il exploatam. Din cauza lui rancezeste untul iar fierul rugineste.
Pana acum 3,5 miliarde de ani, nu s-a intamplat mare lucru. Daca ne-am intoarce in acea perioada timpurie, n-am descoperi prea multe semne promitatoare ale vietii viitoare pe Pamant. Poate pe ici pe colo, prin iazuri ascunse, am descoperi vreun strat de spuma vie sau vreo pojghita stralucitoare de alge verzi si maronii pe rocile de la mal, dar, in afara de astea, viata ar ramane invizibila.
Acum 3,5 miliarde de ani, in apele mai putin adanci, au aparut structuri vizibile. Cianobacteriile au devenit lipicioase, iar in acest stadiu s-au prins microparticule de nisip, care s-au reunit pentru a forma structuri bizare: stromatolitele. Uneori acestea luau forma unor coloane si se ridicau pana la zeci de metri de-asupra apei. Acestea erau practic un fel de roci vii si au reprezentat prima initiativa de cooperare, in care unele varietati de organisme primitive traiau doar la suprafata, iar altele doar in subteran, dar fiecare se bucura de conditiile create de celelalte.
Astazi, stromatolitele se pot gasi in Golful Rechinului, in Australia unde turistii pot privi ramasitele vii ale Pamantului asa cum era acum 3,5 miliarde de ani. Este posibil ca aceste cianobacterii sa fie organismele cu cea mai lenta evolutie de pe Pamant, iar acum sunt cu siguranta printre cele mai rare. Dupa ce au pregatit terenul pentru forme de viata mai complexe, ele s-au stins aproape peste tot, consumate pana la epuizare tocmai de organismele a caror existenta a fost posibila gratie lor. Ar fi disparut complet daca organismele care in mod normal s-ar hrani cu acestea ar putea supravietui in apele puternic sarate din Golful Rechinului.
Evolutia vietii spre complexitate a fost lenta deoarece lumea a trebuit sa astepte pana cand organismele mai simple au oxigenat suficient atmosfera. Probabil complexitatea a aparut o data cu prima bacterie ce a fost capturata de o alta, favorizandu-le pe amandoua. Aceasta invazie mitocondrica a facut posibila viata complexa. La plante, o invazie similara a produs cloroplastele, care fac posibila fotosinteza.
(sursa foto: http://anatomie.romedic.ro/celula) Mitocondria foloseste oxigenul astfel incat sa elibereze energie din substantele nutritive. Si sunt foarte flamande – aproape fiecare substanta hranitoare pe care o absorbim se duce sa le hraneasca pe ele. Fara acestea n-am putea trai. Chiar dupa un miliard de ani, mitocondriile se poarta ca si cum si-ar imagina ca intre noi lucrurile nu merg prea bine. Isi pastreaza propriul ADN, ARN si ribozomii proprii. Se reproduc in momente diferite fata de celulele lor gazda. Arata ca bacteriile, se divizeaza precum bacteriile si uneori raspund la antibiotice la fel ca bacteriile. Nici macar nu vorbesc acelasi limbaj genetic cu celula in care traiesc. Pe scurt, isi tin bagajele gata facute. Este ca si cum am avea un strain in casa, dar unul care sta acolo de un miliard de ani.
Aceste tipuri noi de celule sunt cunoscute sub numele de eucariote si sunt cele responsabile pentru transformarea Pamantului intr-o planeta interesanta. Le-a mai luat inca 1 miliard de ani pana au invatat un truc, dar atunci cand au invatat sa-l stapaneasca le-a fost de mare folos. S-au desprins sa se adune in fiinte complexe, pluricelulare. Gratie acestei inovatii au fost posibile aparitia fiintelor mari si complexe.
De la aparitia vietii pe Pamant formele de viata au suferit nenumarate transformari. Au aparut specii noi in timp ce altele au disparut. Peste 99% din speciile care au trait pe Pamant, adica aproximativ 5 miliarde de specii, au disparut. Unele estimari privind numarul de specii actuale variaza de la 10 la 14 milioane, dintre care aproximativ 1,2 milioane au fost documentate.
In 2017 au fost descoperite microorganisme fosilizate in gurile hidrotermale din Quebec, Canada si sunt cele mai vechi forme de viata descoperite pana acum. Microorganismele au trait acum 4,28 miliarde de ani, nu dupa mult timp dupa formarea Pamantului, cu 4,54 miliarde de ani in urma.
Bibliografie
Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/amino-acids-and-proteins1/a/chemistry-of-amino-acids-and-protein-structure
https://en.wikipedia.org/wiki/Earliest_known_life_forms
http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature21377
https://evolutionnews.org/2014/06/squeezing_the_l/