Problem pochodzenia życia

Mieczysław Pajewski

Eksperyment Millera-Ureya ¹

Ostatnie zdanie głównego dzieła Darwina jest często cytowane przez zwolenników poglądu, że w istocie rzeczy Darwin był człowiekiem wierzącym. Brzmi ono tak:

„Wzniosły zaiste jest to pogląd, że Stwórca natchnął życiem kilka form lub jedną tylko i że gdy planeta nasza, podlegając ścisłym prawom ciążenia, dokonywała swych obrotów, z tak prostego początku zdołał się rozwinąć i wciąż się jeszcze rozwija nieskończony szereg form najpiękniejszych i najbardziej godnych podziwu”. ²

Darwin, będąc ateistą, zabezpieczał się w ten sposób przed nieprzychylną reakcją ówczesnego środowiska wiktoriańskiej Anglii. Było to bardzo mądre posunięcie z jego strony. O tym, co naprawdę myślał na temat, jak powstało życie na Ziemi, możemy przekonać się dopiero z jego prywatnej korespondencji, którą ujawniono wiele lat po jego śmierci. W liście prywatnym do Josepha Hookera z 1871 roku Darwin wypowiedział opinię, która daje podstawę do tego, by uznawać go za prekursora współczesnego scenariusza ewolucji chemicznej. Otóż przypuszczał on, że życie mogło być wynikiem przemian chemicznych „w jakimś ciepłym bajorku zawierającym wszystkie rodzaje soli amonowych i fosforanowych, zaopatrzonym w ciepło, światło, elektryczność etc.”. ³

Kilkadziesiąt lat później, bo w latach 20-tych ubiegłego wieku, rosyjski uczony, A.I. Oparin, oraz angielski uczony, J.B.S. Haldane, podjęli tę ideę Darwina i sugerowali, że wyładowania w pierwotnej atmosferze Ziemi mogły utworzyć chemiczne składniki życia. Przypuszczali oni, że te związki chemiczne rozpuszczały się potem w morzach, tworząc ciepłą rozcieńczoną zupę, w której mogły powstać pierwsze żywe komórki. Hipoteza Oparina-Haldane’a pozostawała niestestowana aż do wczesnych lat 50-tych. W 1953 roku student Stanley Miller oraz promotor jego pracy doktorskiej, Harold Urey, w specjalnie zaprojektowanym urządzeniu, którego schemat znajduje się w każdym podręczniku ewolucjonizmu, przepuszczali iskry elektryczne przez mieszankę gazów, o której sądzili, że stanowi dobre przybliżenie, jeśli w ogóle nie jest identyczna z atmosferą pierwotnej Ziemi. Udało im się w ten sposób otrzymać kilka chemicznych składników żywej komórki.

Eksperyment Millera-Ureya uchodził przez wiele lat za eksperymentalny dowód na to, jak życie mogło powstać bez udziału Istoty Nadprzyrodzonej. Uchodzi za taki nadal, ale tylko wśród laików, bo uczeni od ponad 10 lat wiedzą już, że w eksperymencie tym nie odtworzono warunków, jakie panowały w atmosferze pierwotnej Ziemi. Problemem jest tlen.

Tlen jest potrzebny dzisiejszym organizmom (nie wszystkim, ale pomińmy ten szczegół) do uzyskiwania energii z cząsteczek organicznych (podobnie jak samochód uzyskuje energię z benzyny, spalając ją przy użyciu tlenu). Tlen uzyskujemy z atmosfery dzięki oddychaniu. Oddychanie, które prowadzi do rozpadu cząsteczek organicznych, jest procesem przeciwnym do syntetyzowania, budowania tych cząsteczek. Chemicy proces oddychania nazywają utlenianiem, a proces syntetyzowania – redukowaniem. Otóż ten sam tlen, który jest tak ważny w oddychaniu, jest często przeszkodą w syntezie organicznej. W atmosferze beztlenowej, z którą eksperymentowali Miller i Urey, iskra elektryczna może doprowadzić do utworzenia interesujących cząsteczek organicznych, ale nawet niewielka ilość tlenu może wywołać wybuch. W żywych komórkach kontakt tlenu z procesami syntezy organicznej jest uniemożliwiony. Miller i Urey oddzielali swoją mieszankę gazową od tlenu atmosferycznego specjalnymi pojemnikami.

Obecna atmosfera jest mocno utleniająca. Oparin i Haldane, a później Miller i Urey, zakładali coś przeciwnego o pierwotnej Ziemi. Miała to być atmosfera mocno redukująca, bogata w wodór. Dokładniej rzecz biorąc, postulowali oni, że była ona mieszanką metanu (związku wodoru i węgla), amoniaku (związku wodoru i azotu), pary wodnej (związku wodoru i tlenu) oraz wolnego gazu wodorowego. Oparin i Haldane przewidywali, że błyskawice w takiej atmosferze mogą spontanicznie tworzyć cząsteczki organiczne potrzebne dla żywych komórek. Millerowi udało się najpierw otrzymać glicynę i alaninę, dwa najprostsze aminokwasy znajdowane w białkach, a potem on i inni uczeni otrzymali niewielkie ilości większości biologicznie ważnych aminokwasów, jak też i dodatkowe składniki organiczne znajdowane w komórkach. Jednak już w latach 60-tych zaczęły pojawiać się wątpliwości geochemików, czy warunki na wczesnej Ziemi były dokładnie takie, jakie postulowali Oparin i Haldane.

Atmosfera pierwotnej Ziemi

W 1953 roku i w paru następnych w eksperymentach, które nazwano eksperymentem Millera-Ureya otrzymano większość aminokwasów oraz niektóre składniki organiczne żywych komórek. Eksperyment ten polegał na przepuszczaniu wyładowań elektrycznych o wysokim napięciu przez mieszankę gazów, która miała odpowiadać składowi atmosfery pierwotnej Ziemi. Ponieważ Ziemia miała się ukształtować z chmury międzygwiezdnego pyłu i gazu, Harold Urey, laureat nagrody Nobla z chemii, wysunął rok przed przeprowadzeniem eksperymentu Millera hipotezę, że wczesna atmosfera Ziemi składała się głównie z wodoru, metanu, amoniaku i pary wodnej – zgodnie z wcześniejszą hipotezą Oparina i Haldane’a.

Ale już w tym samym roku, w którym Urey postulował zbliżony skład pierwotnej atmosfery do składu gazu międzygwiezdnego, geochemik z Uniwersytetu Chicagowskiego, Harrison Brown, zwrócił uwagę, że w atmosferze Ziemi znajduje się milion razy mniej tzw. rzadkich gazów (neonu, argonu, kryptonu i ksenonu) niż wynosi średnia kosmiczna, z czego wywnioskował, że Ziemia utraciła bardzo szybko swoją pierwotną atmosferę. Zgodzili się z nim geochemik Heinrich D. Holland (Princeton University, 1962) oraz Philip H. Abelson (Carnegie Institution, 1966), którzy niezależnie wnioskowali, że pierwotna atmosfera Ziemi nie pochodziła z chmur gazu międzygwiezdnego, ale z gazów uwalnianych przez ziemskie wulkany. Ponieważ nie widzieli powodu, by wierzyć, że dawne wulkany różniły się od współczesnych, uznali, że uwalniały one głównie parę wodną, dwutlenek węgla, azot i śladowe ilości wodoru. Ponieważ wodór jest najlżejszym gazem, lżejszym od neonu, argonu kryptonu i ksenonu, to grawitacja Ziemi tym bardziej nie była w stanie go utrzymać i musiał on szybko uciec do przestrzeni kosmicznej.

Ale jeśli jednym z głównych składników pierwotnej atmosfery była para wodna, to musiał się w niej znajdować także niezwiązany tlen. Wiadomo bowiem, że światło słoneczne w górnych częściach atmosfery dokonuje dysocjacji cząsteczek wody na wodór i tlen. Wodór ucieka następnie w Kosmos, a tlen jako cięższy pozostaje w atmosferze. Proces ten nazywa się fotodysocjacją.

Jak wiele tlenu mogło powstać wskutek fotodysocjacji? Czy niewiele, umożliwiając spontaniczne powstawanie aminokwasów i innych związków organicznych wskutek wyładowań atmosferycznych? Uczeni podzielili się w tej sprawie na dwa obozy. Sprawy tej nigdy nie rozstrzygnięto. W 1996 roku paleobiolog Kenneth Towe z Smithsonian Institution dokonał przeglądu dotychczasowego świadectwa empirycznego i doszedł do wniosku, że „najprawdopodobniej wczesna Ziemia posiadała atmosferę zawierającą wolny tlen”. ⁴

Ponieważ wodór jako najlżejszy gaz ucieka w przestrzeń kosmiczną, metan i amoniak nie mogły być głównymi składnikami wczesnej atmosfery, jak chcą założenia eksperymentu Millera-Ureya. ⁵ Abelson zaś zauważył, że amoniak wchłania promieniowanie ultrafioletowe ze światła słonecznego i jest szybko przezeń niszczone. Ponadto gdyby w pierwotnej atmosferze obecne były duże ilości metanu, to najstarsze skały zawierałyby dużo cząsteczek organicznych, co nie ma miejsca. Abelson wnioskował, że nie ma świadectwa empirycznego na rzecz metanowo-amoniakowej atmosfery Ziemi, ale wiele przeciwko niej. ⁶ Innymi słowy, scenariusz Oparina-Haldane’a był błędny, a wczesna atmosfera nie przypominała mocno redukującej mieszanki, jakiej użyto w eksperymencie Millera.

Sidney Fox i Klaus Dose przyznali w 1977 roku, że atmosfera redukująca nie wydaje się geologicznie realistyczna, ponieważ świadectwo empiryczne wskazuje, że większość wolnego wodoru prawdopodobnie uciekła w przestrzeń kosmiczną. Według nich eksperyment Millera-Ureya stosował niewłaściwą mieszankę gazów, gdyż poziom wodoru rósł w nim aż do 76%, podczas gdy na wczesnej Ziemi uciekał w Kosmos. Konkluzja Foxa i Dose’a była następująca: „Coraz bardziej rozpowszechniał się wniosek, że synteza Millera nie ma znaczenia geologicznego”. ⁷

Od 1977 roku ten pogląd został niemal jednomyślnie przyjęty przez geochemików, którzy uważają teraz, że „wczesna atmosfera w ogóle nie przypominała symulacji Millera-Ureya”. ⁸  Kluczowa jest obecność wodoru, gdyż bez niego, czyli bez metanu i amoniaku, w mieszankach dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej, nie powstają żadne aminokwasy. ⁹

W 1983 roku Miller doniósł, że udało mu się wyprodukować niewielką ilość najprostszego aminokwasu – glicynę, przepuszczając iskry elektryczne przez atmosferę zawierającą tlenek węgla i dwutlenek węgla zamiast metanu, ale w obecności wolnego wodoru. Przyznał jednak, że glicyna to było wszystko, co udało mu się uzyskać przy nieobecności metanu. ¹⁰

Jeśli eksperyment Millera-Ureya przeprowadza się z użyciem realistycznej symulacji pierwotnej atmosfery Ziemi, to nie daje on tego, co miał dawać. Dlatego badacze pochodzenia życia zaczęli poszukiwać czegoś innego. Modna stała się idea świata RNA.

Świat RNA?

Ponieważ eksperyment Millera-Ureya nie wyjaśnił, jak białka mogły się uformować na pierwotnej Ziemi, przyjęto, że to nie białka były pierwotnymi cegiełkami życia. DNA nie był dobrym kandydatem do tej roli, gdyż wymaga wielu złożonych białek, by mogły powstać jego kopie. DNA nie mógł powstać przed białkami.

Takim kandydatem stał się RNA, związek podobny do DNA i używany w żywych komórkach w trakcie procesu tworzenia białek. Około 20 lat temu Thomas Cech i Sidney Altman wykazali, że RNA zachowuje się czasami jak enzym, czyli jak białko. ¹¹ Inny biolog molekularny, Walter Gilbert, wysunął myśl, że RNA może sam się syntetyzować przy nieobecności białek, a więc że mógł powstać na pierwotnej Ziemi przed pojawieniem się na niej białek czy DNA. ¹²  Żywe komórki mogły wyłonić się z tego „świata RNA”.

Ale biochemik, Gerald Joyce, uznał, że RNA nie nadaje się do roli pierwszych składników życia, „gdyż jest nieprawdopodobne, by był produkowany w znacznych ilościach na pierwotnej Ziemi”. ¹³ Nawet gdyby RNA powstawał, to długo by nie przetrwał w warunkach, jakie istnieć miały na pierwotnej Ziemi. Joyce wierzy, że świat RNA poprzedzał świat DNA, ale uważa, że przed RNA musiały istnieć pewnego rodzaju żywe komórki.

Znaczy to, że idea świata RNA, podobnie jak idea pierwszeństwa białek, prowadzi w ślepą uliczkę. Nie wiadomo, jak pierwsze składniki życia mogły powstać na pierwotnej Ziemi. Ale zdjęcia lub rysunki aparatury Millera występują w wielu podręcznikach szkolnych i akademickich, nawet jeśli czasami (bo nie zawsze!) w tekście znajdujemy opinię, że prawdopodobnie atmosfera pierwotnej Ziemi była odmienna od tej, jaką zakładano w eksperymencie Millera-Ureya. W 1986 roku chemik, Robert Shapiro, opublikował książkę odnoszącą się krytycznie do wielu aspektów badań nad pochodzeniem życia. Zwłaszcza krytycznie odniósł się do argumentu, że eksperymenty Millera-Ureya dowiodły, iż pierwotna atmosfera Ziemi miała mocno redukujący charakter. Jego zdaniem jest to raczej mitologia niż nauka. ¹⁴

Mieczysław Pajewski

Przypisy:

¹ Wykorzystałem następujące prace: W.R. Bird, The Origin of Species Revisited. The Theories of Evolution and of Abrupt Appearance, vol. I:  Science, Regency, Nashville, Tennessee 1991, s. 325-334; Thomas F. Heinze, How Life Began, Chick Publications 2002; Jonathan Wells, Icons of Evolution. Science or Myth? Why Much of What We Teach About Evolution Is Wrong, Regnery Publishing, Inc., Washington 2000, s. 9-27; Fazale Rana & Hugh Ross, Origins of Life. Biblical and Evolutionary Models Face Off, Navpress, Colorado Springs 2004, s. 109-121.

² Karol Darwin, O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, czyli o utrzymaniu się doskonalszych ras w walce o byt, DeAgostini, Altaya, Warszawa 2001, s. 560.

³ Cyt. za: Leslie E. Orgel, „Narodziny życia na Ziemi”, Świat Nauki 1994, nr 12 (40), s. 51 [51-58].

⁴ Kenneth M. Towe, „Environmental Oxygen Conditions During the Origin and Early Evolution of Life”, Advances in Space Research 1996, vol. 18, s. (12)7-(12)15.

⁵  Heinrich D. Holland, „Model for the Evolution of the Earth’s Atmosphere”, w: A.E.J. Engel, Harold L. James and B.F. Leonard (eds.), Petrologic Studies: A Volume in Honor of A.F. Buddington, Geological Society of America 1962, s. 448-449.

⁶ Por. Philip H. Abelson, „Chemical Events on the Primitive Earth”, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 1966, vol. 55, s. 1365-1372.

⁷  Sidney W. Fox and Klaus Dose, Molecular Evolution and the Origin of Life, rev. ed., Marcel Dekker, New York 1977, s. 43 i 74-76.

⁸ Jon Cohen, „Novel Center Seeks to Add Spark to Origins of Life”, Science 1995, vol. 270, s. 1925-1926.

⁹  Heinrich D. Holland, The Chemical Evolution of the Atmosphere and Oceans, Princeton University Press, Princeton 1984, s. 99-100.

¹⁰ Gordon Schlesinger and Stanley L. Miller, „Prebiotic Synthesis in Atmospheres Containing CH4., CO, and CO2: I. Amino Acids”, Journal of Molecular Evolution 1983, vol. 19, s. 376-382.

¹¹ Por. Kelly Kruger, Paula J. Grabowski, Arthur J. Zaug. Julie Sands, Daniel E. Gottschling, and Thomas R. Cech, „Self-Splicing RNA: Autoexcision and Autocyclization of the Ribosomal RNA Intgervening Sequence of Tetrahymena”, Cell 1982, vol. 31, s. 147-157; Cecilia Guerrier-Takada, Katheleen Gardiner, Terry Marsh, Norman Pace, and Sidney Altman, „The RNA Moiety of Ribonuclease P is the Catalytic Subunit of the Enzyme”, Cell 1983, vol. 35, s. 849-857.

¹² Por. Walter Gilbert, „The RNA world”, Nature 1986, vol. 319, s. 618.

¹³ Gerald F. Joyce, „RNA evolution and the origins of life”, Nature 1989, vol. 338, s. 217-224. Por. też Robert Irion, „RNA Can’t Take the Heat”, Science 1998, vol. 279, s. 1303.

¹⁴ Por. Robert Shapiro, Origins: A Skeptic’s Guide to the Creation of Life on Earth, Summit Books, New York 1986, s. 112.

Idź Pod Prąd 2006, nr 18 (styczeń), s. 8-9.