Rodas arvien fantastiskākas teorijas par dzīvības izcelšanos 1
Viens no sarežģītākajiem un vienlaikus suģestējošākajiem jautājumiem, kas nodarbina ne tikai zinātnieku prātu, ir šāds: vai dzīvība radusies tieši uz Zemes vai arī no kādas neorganiskas matērijas kaut kur kosmosā? Katrai no šīm divām galvenajām hipotēzēm ir savs aizstāvju loks, lai gan nevienu no tām pagaidām nav izdevies pārliecinoši pierādīt. Iespējams, ir arī trešais un vēl kāds variants.
Stiprākās no populārākajām teorijām
Pirmā hipotēze par dzīvības rašanos uz Zemes ir ļoti sena un populāra. Dzīvās matērijas sarežģītība, ārkārtīgi mazā varbūtība, ka tā radusies pati no sevis uz mūsu planētas, kā arī eksperimentētāju neveiksmes saistībā ar dzīvā un nedzīvā sintēzi šīs hipotēzes piekritēju pulkā allaž pulcē arī visaugstākā ranga zinātniekus.
Daudzas šīs hipotēzes variācijas pauž, ka dzīvība radusies ārpus Zemes, un mēģina skaidrot, tieši kā tā šeit nokļuvusi. Viszināmākā ir panspermijas teorija. Atbilstoši tai, dzīvība ir plaši izplatīta parādība starpzvaigžņu telpā, taču, tā kā tur nav labvēlīgu apstākļu attīstībai, dzīvā matērija pārvēršas spermijos jeb sporās un tādā veidā pārvietojas kosmosā. Pirms vairākiem miljardiem gadu komētas atnesušas šos spermijus uz Zemi, kur to “uzplaukšanai” izveidojusies labvēlīga vide.
Spermiji ir mazi dīgļi, kas spēj izturēt lielas temperatūras maiņas, kosmisko starojumu un citus visam dzīvajam postošus apkārtējās vides faktorus. Angļu astronoms Freds Hoils uzskata, ka spermiju lomai ļoti piemērotas ir starpzvaigžņu putekļu daļiņas, kuru saimē var būt grafīta apvalkā tērptas baktērijas. Tiesa, pagaidām kosmosā spermiji kā tādi nav atklāti.
Un mēs tāpat neizvairītos no fundamentālā jautājuma – no kurienes šie spermiji atlidojuši uz Zemi un kā un kur tie savulaik radušies?
Otra dilemmas daļa – kā dzīvība radusies no neorganiskas matērijas – nav tik romantiska, jo strikti balstīta fizikas un ķīmijas likumos. Savā ziņā tā ir šaura, pat mehāniska pieeja, ko dēvē par abioģenēzes teoriju. Tā pēdējā pusgadsimta laikā ievērojami pabīdījusi uz priekšu bioķīmijas, evolucionārās bioloģijas un kosmoloģijas zinātnes…
Par abioģenēzes teoriju
Zinātnieki uzskata, ka dzīvas šūnas mākslīga sintēze ir tikai laika jautājums. Taču – vai mēģenē radīta šūna būs atbilde jautājumam par dzīvības izcelšanos uz Zemes? Visticamāk, ka ne. Sintētiska šūna pierādīs tikai to, ka abioģenēze principā ir iespējama. Bet pirms vismaz četriem miljardiem gadu uz Zemes viss varēja notikt arī gluži citādi.
Piemēram, zināms, ka Zemes virsma atdzisusi pirms 4,5 miljardiem gadu. Tad atmosfēra bija plāna un komētas ļoti aktīvi bombardēja Zemi, dāsni apgādājot to ar organiku. Ārpuszemes izcelsmes viela nosēdās nelielās siltās ūdenskrātuvēs, kuras sildīja vulkāni: dibenā izvirda lava, auga salas, plosījās karstie avoti jeb fumarolas. Kontinenti tajā laikā nebija tik noturīgi un lieli kā mūsdienās. Tie viegli pārvietojās pa zemes garozu, savienojoties un atdaloties.
Tuvāk Zemei bija arī Mēness. Planēta griezās ātrāk, dienas bija īsākas, paisuma viļņi augstāki, vētras skarbākas. Tam visam pāri pletās tēraudkrāsas debesis, ko aizēnoja putekļu vētras, vulkānisko pelnu un meteorītu triecienu izsisto iežu gabaliņu mākoņi. Pakāpeniski veidojās ar slāpekli, ogļskābo gāzi un ūdens tvaikiem bagātināta atmosfēra. Gāzu pārbagātība izraisīja klimata pasiltināšanos uz visas planētas. Šādos ekstremālos apstākļos notikusi dzīvās vielas sintēze. Vai tas bija neizskaidrojams brīnums, absolūta nejaušība, kas notikusi pilnībā pretēji Visuma evolūcijai, vai arī vienīgais loģiskais iznākums?
Jau sākumā izpaudusies viena no dzīvās matērijas galvenajām iezīmēm, proti – spēja pielāgoties vides nosacījumiem. Zemes agrīnajā atmosfērā bija maz brīvā skābekļa, ozons bija izteikts deficīts, tāpēc planētu pārlieku dāsni skāra ultravioletais starojums, kas, kā zināms, visam dzīvajam ir nāvējošs. Iespējams, šī planēta tā arī paliktu neapdzīvota, ja vien dzīvās šūnas nebūtu izgudrojušas mehānismu, kas tās aizsargā no ultravioletā starojuma.
Šis dzīvības rašanās scenārijs vienlaikus ir arī visapšaubāmākais. Jo nav pat mājiena par to, no kurienes radusies sākotnējā organika, vai tās sintēze notikusi uz Zemes, vai arī tā “nokritusi no debesīm”?
Kas vispār ir dzīvība?
No ķīmiskā viedokļa dzīvību var aplūkot kā matēriju, ko veido sarežģīti organiskie savienojumi: aminoskābes, olbaltumvielas, tauki. Taču tādā gadījumā arī parastu mehānisku šo savienojumu maisījumu vajadzētu uzskatīt par dzīvu, kas tomēr tā nav. Iespējams, veiksmīgāks apjēgums, ko akceptējusi zinātniskā sabiedrība, saistīts ar dzīvo sistēmu unikālajām funkcijām.
Spēja vairoties tā, ka pēcteči pārmanto pilnībā precīzu nododamās informācijas kopiju, piemīt visai uz Zemes sastopamajai dzīvībai, turklāt pat vismazākajai tās daļiņai – šūnai. Tieši tāpēc arī šūnu pieņem par dzīvības mēra pamatvienību. Savukārt šūnas sastāvdaļas – olbaltumvielas, aminoskābes, fermenti – atsevišķi un paši par sevi nebūs dzīvi. Atliek tikai noskaidrot “nieku” – kā veidojusies dzīvā šūna…
Līdztekus vairošanās funkcijai ir virkne vienlaikus gan nepieciešamu, gan kaut kādā ziņā nepietiekamu īpašību, lai šūnu varētu uzskatīt par dzīvu. Dzīvs organisms var pielāgoties apkārtējās vides izmaiņām ģenētiskā līmenī. Izdzīvošanai tas ir ļoti svarīgi. Dzīvība uz agrīnās Zemes saglabājusies, pateicoties šim mainīgumam, gan katastrofu laikā, gan skabajos ledus laikmetos.
Dzīvas sistēmas ļoti svarīga īpašība ir tā dēvētā katalītiskā aktivitāte jeb prasme reaģēt noteiktā veidā. Šāda īpašība ir vielapmaiņa – vajadzīgo vielu paņemšana no apkārtējās vides, to pārstrāde un nepieciešamās enerģijas ieguve turpmākai eksistencei. Vielapmaiņas shēmu, kas ir izdzīvošanas algoritms, šūnas ģenētiskā koda aizsardzību un pēctecības mehānismu pārmanto pēcteči. Ķīmiķiem zināmas daudzas sistēmas ar katalītisko aktivitāti, kas nemāk vairoties, tāpēc tās nevar uzskatīt par dzīvām.
Tas liek nopietni apšaubīt, ka savulaik šūna no ķīmisko vielu atomiem izveidojusies kaut kā pati no sevis. Tas šķiet neiespējams variants tāpēc, ka visparastāko baktērijas šūnu veido simtiem gēnu, tūkstošiem olbaltumvielu un dažādu molekulu. Freds Hoils savulaik jokojis, ka šūnas sintēze ir tikpat neiespējama kā vētras, kas brāzusies pāri rezerves daļu izgāztuvei, sakomplektēta lidmašīna “Boeing”. Taču – “Boeing” eksistē, kas nozīmē to, ka kaut kādā veidā tā tomēr ir “savākta” jeb “pašsavākusies”. Mūsdienu priekšstati modelē, ka šūnas boinga pašsavākšanās sākusies pirms 4,5 miljardiem gadu. Process risinājies pakāpeniski, un pirms 3,5 miljardiem gadu uz Zemes jau bijusi dzīvā šūna.
Tiesa, ģeologi gluži nepiekrīt tādam viedoklim.
Agrīnās atmosfēras problēma
Pētnieki uzskata, ka uz Zemes pietiekami lielā daudzumā nevarēja rasties metāns un amonjaks. Turklāt šie savienojumi ir ļoti nenoturīgi, tie saules gaismas iedarbībā sabrūk. Metāna–amonjaka atmosfēra nevarētu eksistēt pat tajā gadījumā, ja šīs gāzes izdalītu planētas dzīles. Ģeologi uzskata, ka pirms 4,5 miljardiem gadu Zemes atmosfērā dominējusi ogļskābā gāze un slāpeklis, kas ķīmiskā izpratnē veido neitrālu vidi. Par to liecinot senāko kalnu iežu sastāvs.
Pagaidām vissenākie ieži uz planētas – 3,9 miljardus gadus veci – atklāti Grenlandē. Tie ir tā dēvētie pelēkie gneisi – laika gaitā mainījušies magmatiskie ieži. Mantijas ogļskābo fluīdu, kas vienlaikus piesātinājuši arī atmosfēru, iedarbībā šo kalnu iežu izmaiņas notikušas miljoniem gadu laikā. Bet tādos apstākļos abioģenētiskā sintēze nav iespējama.
Amerikāņu zinātnieki K. Sagāns un K. Čaiba piedāvā skaidrojumu metāna atmosfēras pašaizsardzības mehānismam. Atbilstoši viņu teorijai metāna sadalīšanās ultravioletā starojuma ietekmē varēja izraisīt no organikas daļiņām veidota aerosola rašanos atmosfēras augšējos slāņos. Šīs daļiņas aprija saules radiāciju un aizsargāja planētas vidi. Tiesa, šis modelis izstrādāts Marsam, bet speciālisti uzskata, ka tas piemērojams arī Zemei.
Šādi pirmsbioloģiskās organikas veidošanās procesam piemēroti apstākļi uz Zemes nesaglabājās ilgi. Nākamo 200 – 300 miljonu gadu laikā mantija oksidējusies, kā rezultātā no tās sāka izdalīties ogļskābā gāze un mainījās atmosfēras sastāvs. Taču tad vide dzīvības dzimšanai jau bija pilnībā sagatavota.
Jūras dibenā
Uz Zemes pirmā dzīvība varēja izcelties arī vulkānos vai to tiešā tuvumā. Zināms, ka okeānu dibenā ir gūzma lūzumu un plaisu, no kurām sulo magma un burbuļojošas gāzes. Tādās ar sērūdeņradi piesātinātās zonās veidojas metālu – dzelzs, cinka, vara – sulfīdi. Tāpēc sākotnējās organikas sintēze varēja risināties tieši uz dzelzs–sēra minerālu virsmas, pateicoties ogļskābes un ūdeņraža reakcijai. Turklāt tur ir arī sintēzei nepieciešamā enerģijas pieplūde.
Šī hipotēze nav pretrunā ar ģeoloģijas datiem un balstīta pieņēmumā, ka agrīnie organismi dzīvojuši ekstremālos apstākļos. 20. gadsimta 60. gados pētnieki Klusā okeāna dibenā atklāja zemūdens vulkānus – tā dēvētos melnos pīpmaņus. Tur indīgo gāzu mutuļos, kur neiespīd saules gaisma un nenokļūst skābeklis, 120 °C temperatūrā dzīvo mikroorganismu kolonijas. Melnajiem pīpmaņiem līdzīgi apstākļi uz Zemes bijuši pirms 2,5 miljardiem gadu. Par to liecina zilzaļo ūdensaugu stromatolītu paliekas.
Apdzīvotu planētu mednieki
Abas vadošās dzīvības izcelšanās teorijas – abioģenēze un panspermija – pieļauj to, ka dzīvība Visumā nav unikāla parādība, tāpēc tai vajadzētu būt arī uz citām planētām. Tur to arī meklē. Ilgu laiku bija tikai viena ārpuszemes dzīvības meklēšanas metode, kas pagaidām nav devusi nekādus rezultātus, proti – svešplanētiešu radiosignālu gūstīšana. 20. gadsimta beigās radās jauna ideja – ar teleskopu palīdzību meklēt planētas ārpus Saules sistēmas, tā dēvētās eksoplanētas.
Pirmo eksemplāru “noķēra” 1995. gadā. Tā bija masas ziņā pusei no Jupitera līdzīga planēta, kas lielā ātrumā riņķo ap Pegaza zvaigznāja 51. zvaigzni. Pēdējos 10 gados atklātas vēl vismaz 120 planētu sistēmas ar 140 planētām. Šodien atklāto planētu skaits noteikti jau ir lielāks. Taču neviena no šīm sistēmām nav līdzīga Saules sistēmai, un neviena no planētām nav līdzīga Zemei.
Arastās eksoplanētas masas ziņā ir līdzīgas Jupiteram, proti – ievērojami lielākas par Zemi. Šie tālīnie giganti dzīvībai nav piemēroti savu orbītu īpašību dēļ. Daļa no tām riņķo ļoti tuvu savai zvaigznei, tas nozīmē, ka to virsma ir nokaitēta un tur nav ūdens šķidrā veidā, kurā varētu attīstīties dzīvība. Savukārt citas planētas – tādu ir ievērojami mazāk – pārvietojas izstieptā eliptiskā orbītā, kas dramatiski iespaido klimatu: sezonu maiņai tur jābūt ārkārtīgi krasai, un tas ir postoši organismiem.
Tomēr, tomēr – no kurienes?
1961. gadā amerikāņu bioķīmiķis Džons Oro nāca klajā ar versiju, ka organiskās molekulas uz Zemes ieradušās ar komētām.
Komētas, kā zināms, galvenokārt veidotas no ledus, bet tajās ir arī amonjaks, formaldehīds, ūdeņraža cianīds, ciānacetilēns, adenīns un citi savienojumi, kas nepieciešami šūnas pamata sastāvdaļu – aminoskābju, nukleīnskābju un taukskābju – abioģenētiskajai sintēzei. Astronomi aprēķinājuši, ka uz Zemes virsmas nonākusī komētu viela jeb ūdens sācis veidot okeānus, kur pēc vairākiem simtiem miljoniem gadu uzplaukusi dzīvība.
Kosmiskajos ķermeņos un starpzvaigžņu putekļu mākoņos ir vienkāršā organika un pat aminoskābes. Spektrālā analīze uzrādījusi adenīna un purīna klātbūtni Heila–Bopa komētas astē, savukārt Merčisona meteorītā atklāts pirimidīns.
Komētas hipotēze kosmologu saimē ir populāra vēl arī tāpēc, ka tā izskaidro dzīvības rašanos uz Zemes pēc Mēness izveidošanās. Pieņemts uzskatīt, ka aptuveni pirms 4,5 miljardiem gadu Zeme sadūrusies ar gigantisku kosmisko ķermeni. Tās virsma izkusa, daļa vielas izšļakstījās orbītā, no kā izveidojās salīdzinoši neliels pavadonis – Mēness. Pēc tādas katastrofas uz planētas nevajadzēja palikt nekādai organikai un ūdenim. Jājautā – no kurienes tad vēlāk tie atkal uzradās? Tos atkal atnesa komētas…
Vissenākie mikrobi
Austrālijas rietumdaļā saglabājušās pagaidām uz Zemes vissenāko atrasto organismu paliekas. Tikai pamatīgā mikroskopa palielinājumā saskatāmās lodītes un šķiedras pieder prokariotiem – mikrobiem, kuru šūnā vēl nav kodola un DNS spirāle izkārtota tieši citoplazmā.
Pārliecināties par to, ka šīs lodītes un šķiedras savulaik patiešām bijuši dzīvi organismi, izrādījās visnotaļ sarežģīti. Tāda veida atliekas kalnu iežos var būt jebkas: minerāli, nebioloģiskā organika, vienkārši redzes māns. Kopumā pētnieki saskaitīja 11 uz prokariotiem attiecināmu pārakmeņojušos sugu. Sešas no tām ir ciānobaktērijas jeb zilzaļie ūdensaugi.
Tādas sugas vēl joprojām mīt uz Zemes – saldūdens un okeāna baseinos, kā arī karstajos avotos vulkānu tuvumā. Austrālijā atrastās atliekas pieder organismiem, kas savulaik bija lieliski pielāgojušies agrīnās Zemes apstākļiem, par ko liecinot tajos atrastās šūnas dalīšanās stadijā.
Tātad jau pirms 3,5 miljardiem gadu bijuši organismi, kas patērējuši ogļskābo gāzi un ražojuši skābekli, mācējuši paslēpties no saules radiācijas un atjaunoties pēc ievainojuma, tieši tāpat, kā to dara mūsdienu sugas. Biosfēra jau bija sākusi noformēties. Pētījuma autors Viljams Šopfs atzinis, ka tik cienījama vecuma iežos viņš bija gatavs atrast krietni vien primitīvākus radījumus.
RNS intriģējošā pasaule
Abioģenēzes teorijā dzīvības sākuma meklējumi aizved līdz idejai arī par krietni vienkāršāku sistēmu nekā šūna, kas ir ļoti sarežģīta un balstās uz trim vaļiem – DNS, RNS un olbaltumvielām. DNS glabā pārmantojamo informāciju, olbaltumvielas īsteno ķīmiskās reakcijas atbilstoši shēmai, kas ielikta DNS, bet informāciju no DNS uz olbaltumvielām nodod RNS. Kas šajā gadījumā varētu ietilpt vienkāršākā sistēmā? Kāda šūnas sastāvdaļa, kas, mazākais, prot atražot pati sevi un regulēt vielapmaiņu.
Līdzīgi ģeologiem, kas pēc kalnu iežu slāņiem zīmē Zemes vēstures ainu, biologi pēc šūnas uzbūves cenšas atklāt dzīvības evolūciju. Virkne 20. gadsimta atklājumu “būvējuši” hipotēzi par spontāni radušos gēnu, kas kļuvis par dzīvības pirmsenci.
Gluži dabiski ir domāt, ka tāds pirmgēns varēja būt DNS molekula, jo tā satur informāciju par savu struktūru un tās izmaiņām. Taču DNS nevar pati nodot informāciju citām paaudzēm, tai nepieciešami palīgi – RNS un olbaltumvielas. Jaunākie pētījumi apliecinājuši, ka šī molekula patiešām ir piemērota galvenajai lomai dzīvības rašanās uzvedumā.
RNS molekula uzbūvē ir vienkāršāka par DNS. Tā ir īsāka, un to veido viens pavediens. Šī molekula var kalpot kā katalizators, proti, veikt izvēles ķīmiskās reakcijas, piemēram, savstarpēji savienot aminoskābes un galvenokārt īstenot pati savu replikāciju jeb pašatražošanu. Zināms, ka katalītiskā aktivitāte ir viena no pamatīpašībām, kas piemīt dzīvajām sistēmām. Mūdienu šūnās šo funkciju pilda tikai olbaltumvielas. Iespējams, šo spēju tie iemantojuši laika gaitā, bet savulaik ar to nodarbojās RNS.
Lai noskaidrotu, ko vēl spēj RNS, zinātnieki sāka to veidot mākslīgi. Ar molekulām piesātinātā RNS mutuļo patstāvīga dzīvība – tās iemītnieki apmainās daļām un atražo paši sevi jeb īsteno informācijas nodošanu pēctečiem. Molekulu spontānā atlase tādā kolonijā atgādina dabisko izlasi, un tas nozīmē, ka tās ir… vadāmas. Tieši tāpat, kā selekcionāri izaudzē jaunas dzīvnieku šķirnes, zinātnieki sākuši audzēt RNS ar konkrētām īpašībām. Piemēram, molekulas, kas palīdz nukleotīdus sašūt garās ķēdītēs, pret augstu temperatūru noturīgas molekulas un tamlīdzīgi.
Naturālā RNS pasaule varēja rasties jau pirms četriem miljardiem gadu – siltajās lāmās un seklajos ezeriņos, kur risinājās spontāna molekulu vairošanās. Molekulas pakāpeniski sāka pulcēties sabiedrībās un sacensties par vietu zem saules. Izdzīvoja tikai tās, kas spēja vislabāk pielāgoties.
Tiesa, informācijas nodošana tādās kolonijās notiek salīdzinoši neprecīzi, tāpēc atsevišķa “īpatņa” jauniegūtās pazīmes var pazust, taču šo trūkumu sedz pietiekami lielais kombināciju daudzums. RNS atlase īstenojusies ļoti ātri, un tādējādi pusmiljarda gadu laikā varēja arī noformēties šūna. Dodot izšķirošo grūdienu, lai rastos dzīvība, RNS pasaule nepazuda, tā joprojām eksistē visos uz Zemes mītošajos organismos.
RNS pasaule ir gandrīz dzīva, proti, līdz pilnam “dzīvīgumam” tai atliek tikai viens solis – radīt šūnu. Bet šūnu no apkārtējās vides atdala droša membrāna. Nākamais RNS evolūcijas posms ir tās kolonijas, kurā molekulas saista savstarpēja radniecība, ieslēgšana tauku apvalkā. Zinātnieki uzskata, ka tāda pirmšūna varēja rasties arī gluži nejauši, taču, lai kļūtu par pilnvērtīgu dzīvo šūnu, membrānai vajadzēja pašatražoties no paaudzes paaudzē. Vai tas tā ir vai nav noticis – lūk, lielais jautājums…
Katrā ziņā pagaidām mēģenē nav izdevies radīt dzīvu šūnu, un tas nozīmē, ka arī RNS savus noslēpumus vēl negrasās pilnībā atklāt.
