Οι απαρχές της ζωής και ο ρόλος της εξέλιξης

Του Μανώλη Κουφόπουλου, 

«Τίποτε δεν έχει νόημα στη Βιολογία, παρά μόνο υπό το φως της εξέλιξης», Θεοδόσιος  Ντομπζάνσκυ.

Εξέλιξη. Μία λέξη κλειδί. Μία έννοια – γέφυρα που συνέδεσε τα κομμάτια του παρελθόντος μεταξύ τους, έδωσε απαντήσεις για το παρόν και μπορεί να μας προϊδεάσει για το τι επιφυλάσσει το μέλλον. Αξιοσημείωτη είναι, επίσης, η φυσική επιλογή. Αυτή δίνει νόημα και από αυτήν καθορίζεται η εξελικτική γραμμή. Η πορεία από το πρώτο κύτταρο μέχρι και τους πιο περίπλοκους οργανισμούς και, φυσικά, μέχρι τον σύγχρονο άνθρωπο, άρχισε να ξετυλίγεται μπροστά στα μάτια μας σαν τα διάφορα κομμάτια του παζλ να δίνουν πλέον μία πιο καθαρή εικόνα για την ιστορία της ζωής. Τη δική μας ιστορία.

Τι είναι ζωή, λοιπόν, και πώς αυτή ξεκίνησε να υπάρχει;

Δύο ερωτήματα για τα οποία μάλλον μόνο εικασίες μπορούμε να κάνουμε. Αυτό δεν σημαίνει σε καμία περίπτωση ότι απομακρυνόμαστε από την αλήθεια και το πέπλο της άγνοιας συνεχίζει να κυματίζει αέναα πάνω από αυτή. Άλλωστε, ο ρόλος της επιστήμης είναι να περιορίσει την αβεβαιότητα. Ποτέ στόχος δεν ήταν η πλήρης γνώση. Ακριβή ορισμό σίγουρα δεν μπορούμε να δώσουμε. Αυτό που μπορούμε αναφέρουμε είναι ότι η ζωή απαιτεί έναν συνδυασμό πολυπλοκότητας και καθορισμένης δομής. Καμία από τις δύο έννοιες από μόνη της δεν μπορεί να τη χαρακτηρίσει. Ουσιαστικά, η ζωή προσπάθησε –και συνεχίζει φυσικά να προσπαθεί– να χρησιμοποιήσει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο την ενέργεια και τα υλικά συστατικά, ώστε να πάει κόντρα στην εντροπία. Να αυξήσει την τάξη στο εσωτερικό της, να δομήσει, να ελέγξει. Άλλωστε, αυτό κάνει η ζωή: Ελέγχει! Αυτή νομίζω είναι και η λέξη που θα χρησιμοποιούσα για να τη χαρακτηρίσω. Έλεγχος των αντιδράσεων – δεδομένων των περιορισμών. Και, όπως είναι αναμενόμενο, δεν μιλάμε για απλό έλεγχο, αλλά για την κορωνίδα αυτού. Αυτορρύθμιση, ομοιόσταση.

Εδώ μάλλον κρύβεται και το μυστήριό της, το οποίο μπορεί ακόμη να μην έχουμε ξεθάψει, αλλά τουλάχιστον αρχίζουμε να σχεδιάζουμε τον χάρτη που θα μας οδηγήσει εκεί. Μπροστά στην αλήθεια, στο τι είμαστε και στο τι μπορούμε να γίνουμε. Ίσως κάποια στιγμή να βρούμε –αν υπάρχει φυσικά κάτι– τον απώτερο στόχο της εξέλιξης.

Νέα στοιχεία δείχνουν ότι η ζωή άρχισε περίπου 4 δις χρόνια πριν. Κάτι αξιοσημείωτο, δεδομένου ότι η ιστορία της Γης ξεκίνησε πριν από 4,54 δις χρόνια. Κάποιος θα μπορούσε –και δικαιολογημένα μάλιστα– να υποστηρίξει ότι το χρονικό μας συμβαδίζει με αυτό του πλανήτη μας και, ταυτόχρονα, να σκεφτεί ότι κάτι τέτοιο πέρα από τυχαίο είναι. Αυτός ο συνδυασμός των συνθηκών που επικρατούσε τότε επέτρεψε –έδωσε το έναυσμα, ίσως καλύτερα ώθησε– το φαινόμενο της ζωής. Ποιες, όμως, ήταν αυτές οι συνθήκες και γιατί θεωρούνται κατάλληλες από την επιστημονική κοινότητα;

Εδώ οφείλουμε να τονίσουμε ότι τα δεδομένα αυτά έχουν ληφθεί με μεθόδους οι οποίες δεν μπορούν να θεωρηθούν απόλυτα ακριβείς, όπως είναι η ραδιογραφία, η στρωματογραφία και πολλές φορές το αρχείο των απολιθωμάτων.

Από τη δημιουργία της και έπειτα, η Γη έχει υποστεί δραματικές αλλαγές στην επιφάνειά της και θα μπορούσαμε, μάλιστα, να τη χαρακτηρίσουμε ως έναν δυναμικό πλανήτη, αφού αυτές οι φυσικές μεταβολές συνεχίζουν να διαδραματίζονται μέχρι και σήμερα. O λεγόμενος «Καταρχαιοζωικός» ή «Άδαιος αιώνας» ξεκίνησε με τη δημιουργία της Γης και τελείωσε πριν από περίπου 4 δις χρόνια, όταν και έγιναν τα πρώτα δειλά βήματα προς τη ζωή. Ο πλανήτης μας ήταν τότε μία φλεγόμενη σφαίρα, που σταδιακά άρχισε να ψύχεται. Η βαρύτητα διαχώρισε τα βαριά από τα ελαφριά στοιχεία, με τα αέρια να συσσωρεύονται στη νεοσχηματιζόμενη ατμόσφαιρα. Αυτή και ο ωκεανός σχηματίστηκαν πριν από 4,37 δις χρόνια. Υψηλές συγκεντρώσεις αερίων CO₂, H₂, H₂S, N₂ ήταν παρούσες, προσφέροντας έτσι αναγωγικές συνθήκες, κάτω από την επίδραση κάποιας πηγής ενέργειας, όπως είναι ο ήλιος, οι αστραπές και η ραδιενέργεια. Όμοια, παρατηρήθηκαν μόρια όπως είναι τα HCOOH, HCN, HCHO, που αποτελούν βασικές πηγές για τη σύνθεση των μορίων που χρειάζονται τα κύτταρα απλά ή μη.

Αυτές αποτελούν βασικές προϋποθέσεις για τη σύνθεση οργανικών μορίων από ανόργανα. Υψηλές ποσότητες αλάτων χλωρικού και ανθρακικού ήταν παρούσες στους ωκεανούς της Γης, αλλάζοντας έτσι όχι μόνο το pH, αλλά αποτελώντας, ταυτόχρονα, ένα ρυθμιστικό υδατικό διάλυμα που βοήθησε στην εμφάνιση της ζωής. Η αλατότητα των ωκεανών ήταν 1,5 – 2 φορές υψηλότερη σε σχέση με τα σημερινά επίπεδα. Εκείνη την περίοδο υπήρχαν πολλά ακόμα χαρακτηριστικά που ευνοούσαν την εμφάνιση ζωής. Ως προς αυτό, μπορούμε να αναφέρουμε ότι η επιστημονική κοινότητα έχει καταλήξει σε ορισμένες προϋποθέσεις, που απαιτούνται για τη δημιουργία και διατήρηση της ζωής. Αυτές είναι:

• Καθαρή πηγή νερού που θα παίξει τον ρόλο διαλύτη και θα συμμετάσχει σε αντιδράσεις. Το νερό θα μπορούσε να έχει την απαραίτητη σύσταση μετά από 500 εκατομμύρια χρόνια από τη δημιουργία της Γης, κάτι που –μάλλον όχι τυχαία– συμπίπτει με την εμφάνιση της ζωής.
• Πηγή ενέργειας που θα ωθήσει τις αντιδράσεις και, κυρίως, τις βιοσυνθετικές. Όπως θα δούμε παρακάτω, η πιο πιθανή πηγή ήταν, σύμφωνα με παλαιότερα δεδομένα, οι θερμοπίδακες, ενώ νεότερη μελέτη μας παραπέμπει προς τη ραδιενέργεια.
• Η ύπαρξη των απαραίτητων υλικών για χρήση από τα κύτταρα, ακόμα και πρωτόγονα. Τέτοια συστατικά είναι : H₂, NH₃, CO, CO₂, H₂S, CH₄, S, SO₂, Si, Fe, Ni, P, S. Αυτά μπορεί να προήλθαν από εκρήξεις ηφαιστείων, διαλυμένα μέταλλα και αστεροειδείς.
• Αρκετά υψηλή θερμοκρασία, ώστε να προαχθεί η πορεία των επιθυμητών αντιδράσεων, αλλά όχι τόσο υψηλή, ώστε να έχει παράπλευρες και ανεπιθύμητες αντιδράσεις.
• Τέλος, ακόμα και αν υπάρχουν όλα τα παραπάνω, δεν μπορούν από μόνα τους να υποστηρίξουν τη ζωή. Είναι απαραίτητο να υπάρχουν στο κατάλληλο μέρος, ώστε, εν τέλει, να οδηγηθούμε στη διαμερισματοποίηση, που θα αυξήσει εκθετικά τις διεργασίες που οδηγούν στη ζωή.

Είναι αδιαμφισβήτητο ότι κανένας δεν μπορεί να περιγράψει με απόλυτη βεβαιότητα τις συνθήκες που επικρατούσαν, ούτε να εξηγήσει αλάνθαστα τον τρόπο εμφάνισης της ζωής. Υπάρχουν διάφορες θεωρίες, βέβαια, που αναφέρονται στο ξεκίνημά της. Μπορούμε να αναφέρουμε τη θεωρία της πανσπερμίας, της αρχέγονης σούπας, της αυτόματης γένεσης, των θερμοπιδάκων στον ωκεανό και αυτών που προκύπτουν από φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα. Η θεωρία του θερμοπίδακα τείνει να είναι πιο αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα, με τη νέα θεωρία του πυρηνικού αντιδραστήρα να προσπαθεί σε έναν βαθμό να τη συμπληρώσει.

Η θεωρία των θερμοπιδάκων αναφέρει ότι στον ωκεανό, και συγκεκριμένα πάνω στη μεσοωκεάνια ράχη, παρατηρούνταν υδροθερμικές αναβλύσεις που παροχέτευαν το νερό με υδρογόνο μετά από αντίδρασή του με μέταλλα που βρίσκονταν εκεί, δημιουργώντας, ταυτόχρονα, ένα αλκαλικό περιβάλλον. Το υδρογόνο, με τη σειρά του, αντιδρούσε περαιτέρω και, τελικά, σχηματίστηκαν επιμήκεις κυψελώδεις δομές, που έμοιαζαν με πορώδες πέτρωμα. Μικροσκοπικοί πόροι με ανόργανα τοιχώματα συνδέονταν μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα δίκτυο. Αυτοί εικάζεται ότι περιείχαν στις εσωτερικές τους επιφάνειες καταλυτικά μέταλλα, όπως θείο και σίδηρο. Το pH στο εσωτερικό τους ήταν ελαφρώς βασικό και του ωκεανού ελαφρώς όξινο, οπότε είχαμε ροή κατιόντων υδρογόνου, κάτι που θα μπορούσε να λειτουργήσει όπως η χημειόσμωση, σε πρωτόγονο φυσικά βαθμό.

Παράλληλα, το απελευθερωμένο H₂ αντιδρούσε με το CO₂ με προσφορά ενέργειας από τη βαθμίδωση ιόντων, με αποτέλεσμα τη σύνθεση οργανικών ενώσεων, όπως είναι η CH₂O, πρόδρομο μόριο της γλυκόζης. Σύμφωνα με τη θεωρία του πυρηνικού αντιδραστήρα, η ενέργεια για τη σύνθεση των οργανικών μορίων προήλθε από ιοντίζουσα ακτινοβολία και τα μόρια αυτά στη συνέχεια διασκορπίστηκαν.

Κάτω από τις συνθήκες αυτές, είχαμε σύνθεση λιπιδίων με μικρές αλυσίδες (περίπου 10 C). Τα λιπίδια ήταν αρκετά σταθερά για να συσσωρευθούν και αρκετά μεγάλα για να μπορούν να αλληλεπιδράσουν επαρκώς, ώστε να σχηματίσουν λιπιδικά κυστίδια. Η αύξηση της συγκέντρωσης των λιπιδίων στο εσωτερικό των πόρων, επέτρεψε τον σχηματισμό πολυπληθών κυστιδίων. Αυτά είναι αρκετά σίγουρο να αποτελούνταν από πολλά είδη λιπιδίων, κάτι που τους προσέδωσε υψηλή σταθερότητα σε μεγάλο εύρος συνθηκών, καθώς και ιδιότητες που επέτρεψαν την είσοδο ριβονουκλεοτιδίων στο εσωτερικό τους. Τα κυστίδια άρχισαν να αυξάνονται σε μέγεθος και πολλαπλασιάζονταν σαν πρωτόγονα κύτταρα, χωρίς, φυσικά, να έχουν ακόμα την ιδιότητα της ζωής. Η διαίρεσή τους γινόταν είτε με προσθήκη νέων ελεύθερων λιπιδίων είτε με απομάκρυνση λιπιδίων από άλλα κυστίδια.

Όπως είπαμε, τα κυστίδια συγκροτούνταν από πολλά είδη λιπιδίων. Εκείνα, όμως, που περιείχαν λιπίδια που επέτρεπαν την είσοδο νουκλεϊκών οξέων είχαν πλεονέκτημα, καθώς η αύξηση της συγκέντρωσης των οξέων οδηγούσε σε υπερτονικό κυστίδιο. Φαίνεται ότι απλές ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις είναι αρκετές για να συνδεθεί ένα νουκλεϊκό οξύ σε μία λιπιδική μεμβράνη. Επίσης, πεπτίδια μικρού μήκους (7 αμινοξέα) που ήταν  παρόντα στην πρώιμη γη, ήταν ικανά να περιορίσουν νουκλεϊκά οξέα στο εσωτερικό της μεμβράνης. Όλα αυτά ευνόησαν την είσοδο νουκλεϊκών οξέων σε κυστίδια. Έτσι, τα νουκλεϊκά οξέα άρχισαν να συσσωρεύονται και παρατηρήθηκε αύξηση στα υπερτονικά κυστίδια.

Καθώς αυτά έκλεβαν λιπίδια και αυξανόντουσαν, ώστε να γίνουν ισοτονικά, ο όγκος τους έφτανε σε σημείο θερμοδυναμικής αστάθειας και διαιρούνταν. Έτσι, τα ριβονουκλεϊκά οξέα προσέδωσαν ένα πρώιμο είδος εξελικτικού πλεονεκτήματος και τα κυστίδια αυτά επικράτησαν έναντι των κενών. Σταδιακά, δηλαδή, δημιουργήθηκε κάποιο κληρονομούμενο χαρακτηριστικό. Ταυτόχρονα, μελέτες έδειξαν ότι ο πολυμερισμός των ριβονουκλεοτιδίων, αρχικά, δεν γινόταν από κάποιο ριβόζυμο, αλλά πιθανώς με χημικό τρόπο από ενεργοποιημένα νουκλεοτίδια με υποβοήθηση από καταλυτικές ουσίες που βρίσκονταν μέσα η έξω από τα κυστίδια. Οπότε, όχι μόνο τα οξέα διαμοιράζονταν, αλλά είχαν και τρόπο να πολλαπλασιάζονται και να προσδίδουν ολοένα μεγαλύτερο πλεονέκτημα στα κυστίδια που τα έφεραν.

Τι είναι, όμως, αυτό που ξεχωρίζει τα απλά κυστίδια που περιέχουν νουκλεϊκά οξέα από τα πρώτα κύτταρα, τα λεγόμενα πρωτοκύτταρα (protocells);

Εδώ η γραμμή, το μεταίχμιο ύλης και ζωής, είναι πολύ λεπτό. Αυτό που μπορούμε να πούμε είναι ότι η διαφορά έγκειται στο εξελικτικό πλεονέκτημα που προσφέρει η κωδικοποίηση πληροφοριών στο γενετικό υλικό, η οποία έχει αρχίσει να γίνεται καθοριστικός παράγοντας στην επικράτηση ενός κυττάρου σε σχέση με ένα άλλο. Τα πρωτοκύτταρα, ουσιαστικά, ανέπτυξαν κάποιο μηχανισμό κληροδότησης ευνοϊκών χαρακτηριστικών. Από το σημείο αυτό μπορούμε πλέον να μιλάμε για την απαρχή της δαρβίνειας εξέλιξης.

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ 

• Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon, PubMed. Διαθέσιμο εδώ
• Age of earth collection, National Geographic. Διαθέσιμο εδώ
• Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the
  Earth 4.4 Gyr ago, Nature. Διαθέσιμο εδώ
• Astronomical Society of the Pacific Leaflets, Harvard University. Διαθέσιμο εδώ
• “Physical conditions on the early Earth”, PubMed. Διαθέσιμο εδώ
• “The Hadean-Archaean environment”, PubMed. Διαθέσιμο εδώ
• “Conditions for the emergence of life on the early Earth: summary and reflections”, PubMed. Διαθέσιμο εδώ
• The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition, PubMed. Διαθέσιμο εδώ
• The Origin and Early Evolution of Life: Prebiotic Chemistry of Biomolecules, MDPI. Διαθέσιμο εδώ