am@astronomija.co.yu

Sadržaj AM

2. Svet iz ”kese za đubre”
(1 2 3)

Kako je uopšte začet život, glasi drugo pitanje. Da li se to desilo ovde, na Marsu ili negde drugde? Postoje dva potpuno različita pogleda na tu temu. Pre svega, tu je svet RNK i udvajanje molekula. RNK je ribonukleinska kiselina, odnosno jedan veliki molekul koga modifikuje DNK. Spajanjem i udvajanjem ovih molekula vremenom su stvarani drugi molekuli da bi na kraju nastalo živo biće. Teorija da je život nastao “iz kese za đubre” zauzima drugo mesto. Ideja ove teorije jeste ta da je život otpočeo u malim “kesama za đubre”, membranama napravljenim od različitih čestih hemikalija koje su upijale vodu punu ko zna kakvog “đubreta”. Svet RNK je standardna teorija, prihvaćena od strane većine stručnjaka biohemije i genetike. Stručnjaci vole RNK zato što je poprilično pogodna za eksperimentisanje. Otkad je Thomas Cech 1986. godine otkrio da se RNK ne samo udvaja i regeneriše, već i da se ponaša kao enzim za katalitičke reakcije između drugih molekula, stručnjaci smatraju ovu teoriju vodećom. Ribozomi, enzimi RNK čine važnu ulogu u svakoj ćeliji, jer pre svega bez njih ne bi postojao život.

Teorija o životu iz “kese za đubre” nije toliko elegantna niti dovoljno prihvaćena. Dvadesetih godinama prošlog veka postavio ju je ruski biolog Oparin. Međutim, Oparin je bio na lošem glasu i smatran lošim čovekom, te se i njegova teorija smatrala lošom. Na našu sreću, loši ljudi katkad postavljaju dobre teorije. Danas ovu teoriju propagira hemičar sa izraelskog instituta, Doron Lancet. I ja preferiram ovu teoriju, delom zbog toga što volim da budem u manjini, a delom zato što s hemijske strane gledano smatram ovu teoriju boljom i adekvatnijom. Ideja ove teorije jeste da je od nasumično sakupljenih molekula na jednom mestu (u jednoj “kesi za đubre”) moguće da neki sadrže katalizatore za stvaranje novih molekula, koji će biti u stanju da sintetišu nove molekule i tako dalje. Veoma se retko dešava da se sakupi takva kombinacija molekula koja bi vremenom omogućila sintezu čitave polulacije. U jednoj “kesi” skupina molekula se reprodukuje, ali nasumično, ne tačno i precizno. Takva “kesa” sakuplja sveže “đubre” iz spoljašnje sredine i raste. “Kesa” se s vremena na vreme turbulentnim kretanjem može podeliti na dve manje “kese”. Kolika je verovatnoća da će ćerka kesa nastaviti samostalan život reprodukcije? Verovatnoća veća od 50 procenata kaže da roditelj u proseku proizvede više od jedne ćerke-jedinke koja bi nastavila da vodi sasvim funkcionalan život sa mogućnošću reprodukcije, udvajanja i eto, život takve vrste je otpočeo.

Život koji na ovaj način nastaje jeste život iz “kese za đubre”. To je svet malih proto-ćelija koje imaju metabolizam i mogućnost periodične reprodukcije. Molekuli koje “kese” sadrže se ne repliciraju u potpunosti. Reprodukcija nije isto što i replikacija. ]elije se mogu reprodukovati, ali se samo molekuli mogu replicirati. Darvinova evolucija putem prirodne selekcije ne zahteva potpunu replikaciju. Darvin nikad nije čuo za DNK ili RNK ili za potpunu replikaciju kada je razvio svoju teoriju evolucije. Periodična reprodukcija je sasvim dovoljna osnova za prirodnu selekciju. Kada otpočne reprodukcija proto-ćelija u “kesi za đubre” prirodnom selekcijom se vrši odabir zarad poboljšanja kvaliteta katalizatora i preciznosti reprodukcije. Ne bi bilo iznenađujuće da za nekih milion godina selekcije nastane proto-ćelija sa svim visoko razvijenim hemijskim osobinama koje ima i moderna ćelija.

Život sačinjavaju dve stvari, metabolizam i replikacija, pri cemu se ove dve stvari mogu razdvojiti. Metabolizam je normalna hemijska aktivnost žive ćelije. Replikacija je precizno kopiranje gena. Odavdee slede dve logična zaključka od čega je život mogao nastati. Ili je život nastao samo jedanput, gde su metabolizam i replikacija vezane u jednoj funkciji od samog nastanka, ili je život nastajao dva puta, pri čemu je jedna vrsta sposobna da vrši metabolitičke procese bez precizne replikacije, a druga sposobna da vrši replikaciju bez metabolizma. Ako je život nastao jednom, verovatno bi bio u pitanju svet RNK. Ako je život nastajao dva puta, prvi početak bi ličio na život iz “kese za đubre”, sa stvorenjima koji sadrže razne molekule. Ova stvorenja bi nezavisno jedni od drugih mogla da postoje veoma dugo, možda jednu ili dve milijarde godina, pri čemu bi samo jeli, rasli i razvijali metabolizam. Drugi početak bi nastao tako što bi paraziti koristili produkte metabolizma ovih stvorenja za sopstveni opstanak, odnosno da bi otpočeli sopstvenu replikaciju.

Još jedna neophodna stvar za opstanak života u svemiru jeste simbioza. Simbioza je spajanje dve jedinke različitih vrsta, vrsta koje su do pre same simbioze imale različite evolutivne puteve. Tako se simbiozom dobija nova vrsta, do tada nikada viđena u prirodi. Biologija je pokazala da sve više biljke i životinje koriste simbiotičke bakterije za izvođenje mnogih sopstvenih životnih funkcija. Sjajan primer su bakterije u koje su specijalizovane za varenje celuloze koje se mogu naći u stomaku svake prosečne krave. Lynn Margulis je dokazala da je simbioza odigrala jednu od ključnih uloga u razvitku moderne ćelije iz bakterije. Dokazala je da su mitohondrije i hloroplasti, koji su danas važni sastavni delovi moderne ćelije, nekada bili nezavisna živa stvorenja. Oni su nekada davno napali pretka ćelije sa spoljašnje strane, da bi se vremenom adaptirali i postali deo nje. Takva ćelija se navikla da kontroliše aktivnosti novih delova, zarad nastanka kompleksne strukture koju nijedna od te dve sad srasle strane ne bi mogla da dostigne individualno. Na ovaj način simbioza omogućuje velike korake u evoluciji. Neko simbiotičko stvorenje može od proste postati složena jedinka mnogo brže nego neko stvorenje koje se korak po korak samostalno razvija mutacijom. Ja pretpostavljam da je rani skok od stvorenja iz “kese za đubre” do ćelije sa modernim genetickim aparatom nastao simbiozom. Nukleinske kiseline, koje su poreklom paraziti na stvorenjima iz “kese za đubre”, vremenom su navikle na svoje domaćine, a njihovi domaćini su naučili kako da ih tolerišu i eksploatišu zarad precizne replikacije. Zajedno, ove dve komponente su razvile modernu ćeliju koja je bila toliko efikasna, kako u metabolizmu, tako i u replikaciji, da je bukvalno zbrisala sve ostale vrste tadašnjih živih organizama.

Simbioza je takođe dominantni faktor u evoluciji neživog univerzuma. Simbioza je na nebu česta isto onoliko koliko i u biologiji. Astronomima su dobro poznate simbiotičke zvezde. Glavni razlog zašto je simbioza važna u astronomiji jeste dvostruka priroda gravitacije. Kada gravitacija utiče na ravnomerno raspoređenu materiju u velikom prostoru, prvi efekat gravitacije je sakupljanje te materije u grudvice. Te grudvice se dalje sakupljaju i razvijaju nezavisno na razne načine. To za cilj ima formaciju različitih vrsta nebeskih objekata. Nakon toga, dolazi do drugog efekta gravitacije. Ona teži da te formirane grudvice, objekte spoji u parove. To je sporadičan proces i često treba puno vremena da parovi nastanu. Međutim, univerzum ima i više nego dovoljno vremena. Posle nekoliko milijardi godina, u simbiotički sistem se veže veliki broj objekata raznih veličina, bilo da su u parovima ili u jatima. Kad se jednom tela gravitaciono vežu, disipacioni procesi teže da ona tela vezu još bliže. Približavanjem, tela međusobno interaguju pri čemu čari simbioze dolaze do izražaja.

Primeri astronomske evolucije na koju je uticala simbioza mogu se naći bilo gde na nebu. Na najvećoj skali, parovi i grupe galaksija su vrlo česta pojava. Kada galaksije dođu u kontakt jedna sa drugom, njihova unutrašnja evolucija se skoro uvek značajno promeni. Čest znak simbiotičke aktivnosti je aktivno galaktičko jezgro. Aktivno jezgro se na nebu vidi kao izuzetno jak izvor svetlosti u središtu galaksije. Aktivna galaktička jezgara mogu biti vrlo različita. Najverovatniji razlog za veliki intenzitet svetlosti u aktivnim jezgrima jeste gas koji pada u crnu rupu u centru jedne galaksije, što je posledica gravitacionih poremećaja koje je izazvao bliski susret sa drugom galaksijom. Često se događa da veća galaksija prosto proguta manju. Jezgro manje galaksije se tada vidi unutar veće, kao kosti miša u trbuhu zmije. Taj oblik simbioze se naziva galaktički kanibalizam.

Ipak, ovaj govor bi trebao da bude o životu i zato ne smem više da skrećem u astronomiju. Vratimo se na temu. Sa životne tačke gledišta, najvažnija astronomska simbioza je simbioza Sunca i Zemlje. Ceo sistem Sunca, planeta i satelita, sistem koji mi nazivamo Suncev Sistem, predstavlja tipični primer astronomske simbioze. Na početku, kada se formirao Suncev sistem, Sunce i Zemlja su rođeni sa potpuno različitim hemiskim i fizičkim osobinama. Sunce je napravljeno pretežno od vodonika i helijuma, dok je Zemlja napravljena od težih elemenata kao što su kiseonik, silicijum i gvožđe. Sunce je fizički jednostavno - sfera od gasa zagrevanog iz sopstvenog centra reakcijama fuzija vodonika u helijum, sfera koja jednostavno sija i sijaće postojano milijardama godina. Zemlja je, sa druge strane, fizički komplikovana - pola čvrsta, pola tečna sa površinom koju konstantno potresaju sve moguće nepogode. Simbioza ova dva toliko različita sveta je omogućila život. Zemlja je obezbedila raznovrsnost hemiskih elemenata i razvijanje života. Sunce je obezbedilo fizičku stabilnost, stalni izvor energije na koji se život može osloniti. Kombinacija zemljine raznovrsnosti i Sunčeve stabilnosti su temelj na kojem život evoluira i cveta.

Pored Sunca, planeta i njihovih satelita, u Suncevom Sistemu postoji i veliki broj asteroida i kometa, malih objekata gravitaciono vezanih za Sunce koji nemaju pravilne i postojane putanje kao planete. Asteroidi i komete su važan deo simbiioze koja drži sistem na okupu. Pošto imaju neuređene putanje, ovi objekti se često sudaraju sa planetama i proizvode katastrofalne efetke u lokalnoj sredini. Tragovi ovih udara se mogu videti na Zemlji, a još su vidljiviji na Mesecu. Pre nekoliko godina mogli smo da posmatramo ogromne ožiljke na Jupiteru koje je ostavio udar komete Schumacher-Levy. Dovoljno veliki udari koji na Zemlji mogu izazivati izumiranje vrsta na globalnoj skali dešavaju se od prilike jednom u 100 miliona godina. Nasumično uništenje kompletnih ekoloških celina od strane kometa je bilo deo istorije života na Zemlji od samog njemog nastanka. Verovatno su te katastrofe pogurale evoluciju napred time što su uništavale vrste koje su bile previše dobro adaptirane na statička okruženja, ostavljajući prostora vrstama koje su se lako prilagođavale težim i promenjivim uslovima. Bez povremenih katastrofičnih udara koji su nagrađivali prilagodljivost, teško da bi evolucija došla do naše rase. Mi smo jedna od najprilagodljivijih vrsta, potpmci simbioze u kojoj su Sunce, planete, asteroidi i komete igrali ključnu ulogu.

Najpoznatije eksperimentalno istraživanje nastanka života izveo je Stenli Miler na Berkliju 1953. godine. Miler je napunio zatvorenu posudu redukujućom atmosferom sačinjenom od metana, amonijaka, vodonika i vode, pustio električnu struju kroz nju. Rezultat je bila supa različitih elemenata koja se sastojala većim delom od interesantnih organskih jedinjenja. Ponovio je ovaj eksperiment koristeći oksidujuću atmosferu, a zatim koristeći neutralnu atmosferu od azota, ugljendioksida i vode. Drugi naučnici su ponovili ovaj eksperiment u još više različitih verzija. Rezultat je uvek isti. Sa redukujućom atmosferom se dobija puno različitih organskih jedinjenja. Sa oksidujućom ili neutralnom atmosferom se ne dobijaju nikakva organska jedinjenja.

Danas znamo da je zemljina redukujuća atmosfera, ako je ikada postojala, nestala u isto vreme kada su prestale meteorske kiše koje su potresale Zemlju, pre 3.8 milijardi godina. Milerova zavodljiva priča o poreklu života, priča o maloj bari obasjnoj Sunčevim zracima pod redukujućom atmosferom u kojoj se nalaze rastvorene hemikalije, danas je opovrgnuta. U skorije vreme, pojavila se nova zavodljiva priča koja je zamenila malopređašnju. Po novoj priči, život je potekao iz vruće, duboke, mračne male rupe sa dna okeana. Četiri eksperimentalne potvrde te teorije su se pojavile u vrlo kratkom roku. Prvo, otkriće bujnog života na obodima izvora vrele podzemne vode na dnu okeana. Voda koja ulazi u okean iz tih izvora je bogata vodoničnim i metalnim sulfidima, tako da je obezeđena redukujuća sredina nezavisno od atmosfere na površini. Drugo, otkriveno je da bakteriski život postoji u slojevima stena pod zemljom, na mestima gde je kontakt sa spoljašnjim oblicima života nemoguć. U nekim slučajevima, te podzemne baterije ne pripadaju nijednoj poznatoj vrsti. Treće, u laboratoriji su primećeni fenomeni neverovatno slični životu, kada se topla voda obogaćena gvožđe-sulfidima ispusti u hladnu vodu. Sulfidi se odvajaju od vode kao membrane i formiraju želatinaste balone. Ti baloni izgledaju kao mogući preci živih ćelija. Površine membrana absorbuju organske elemente iz rastvora i metalni sulfidi katalizuju niz različitih reakcija na površini membrane. Četvrto, otkriveno je da su mnoge drevne porodice bakterija termofilne, što znači da su specijalizovane za život u vrelim sredinama. Mnoge od njih se i danas mogu naći u vrelim izvorima gde je voda često na ivici ključanja.

Ova četiri dokaza, sa okeanskih grebena, iz dupokih naftnih bušotina, iz laboratoriskih eksperimenata i iz genetičkih analiza zajedno daju verodostojnu sliku života koji potiče iz vrelih dubina. Pošto nemamo nikakvo konkretno znanje o poreklu života, ne možemo ni jednu sredinu otpisati kao više ili manje verovatnu za život pre nego što je istražimo. Slika života koji nastaje u nekoj pukotini na dnu okeana je čista spekulacija i ne može se ni u kom slučaju smatrati za dokazanu teoriju. Ona ima vrlo važnu posledicu. Ako je teorija tačna, to znači da je nastanak života poprilično nezavisan od uslova na površini planete. Iz toga se može zaključiti da je život mogao da nastane na Marsu isto koliko i na Zemlji. Moj prijatelj, Tomas Gold, po profesiji astronom je stalno pun ideja. Sve njegove ideje nisu potpuno lude. Skoro je napisao knjigu po imenu “Duboka vrela biosfera”. On tu izlaže da se u Zemljinoj kori još uvek nalazi vrela biosfera. U knjizi iznosi neke dokaze u korist tvrdnje da se u podzemnoj biosferi nalazi biomasa iste veličine kao u površinskoj biosferi koju poznajemo. On primećuje: “Ako je takav život zaista nastao u dubinama zemljine kore, onda se u Sunčevom sistemu nalazi barem još deset nebeskih tela koja su imala slične šanse za nastanak bakteriskog života. Ne znam na kojih deset obekata Gold misli. Na listi su svakako Mars, Evropa, Titan i Triton. Evropa je Jupiterov satelir, Titan Saturnov, a Triton Neptunov. Sva tri satelita imaju hladne površine, ali tople unutrašnjosti u kojima se možda krije život.

Postoji moguća analogija između porekla života i porekla konstrukcija viših organizama. Pre pola milijarde godina, kada je život postojao već oko tri milijarde godina, došlo je do iznenadnog bujanja kompleksnih konstrukcija organizama. To bujanje je poznato kao “Kambrijska eksplozija” i tada su se za geološki kratko vreme razvili najvažniji organizmi iz kojih su nastali svi današnji viši organizami. U Kanadi su pronađeni fantastično očuvani fosili tih organizama, zarobljeni u šalitri. Stefan Gould ih je opisao u svojoj knjizi “Čudesni život”. Mora biti da se neposredno pre Kambriske epohe dogodilo nešto što je omogućilo genetsko programiranje kompleksnih organizama. Ono što se možda dogodilo je pronalaženje koncepta “indirektnog razvoja”, sistem u kojem embrion odlaže sa strane grupu ćelija koje su predodređene da izrastu u odraslu jedinku, odnosno sistem kojim se odvajaju buduće strukture embriona i jedinke. Prednost ovog sistena je taj da je u ranom periodu razvitka buduca jedinka zaštićena u fazi embriona, dok kasnije jedinka može da slobodno se razvija u komplikovane strukture nezavisno od prethodne strukture embriona. Trojica kaliforniskih paleontologa, Davidson, Peterson i Kameron, su sakupili dokaze za tvrdnju da velika većina današnjih vrsta potekla od indirektnog planiranja. Ova činjenica je dosta dugo ignorisana pošto su dve najpoznatije vrste, kičmenjaci i zglavkari, izuzeci od pravila. Ljudi i jastozi rastu direktno iz embriona u odraslu jedinku. Kičmenjaci i zglavkari, dve najuspešnije grupe životinja, verovatno počinju kao ostali sa indirektnim razvojem, ali su negde kasnije otkrili prečicu kojom izrastaju direktno iz embriona. Ako se prvo pojavio sistem indirektnog razvoja to znači da su višećeliski organizmi evoluirali u dva koraka. Prvi korak je bilo razviće embrionskih formi ograničene složenosti, kojima je nedostajala genetska mašinerija za programiranje specijalizovanih struktura. Drugi korak je razvitak odraslih organizama sa razijenim sistemom genetske kontrole i razvitak embrion koji je obezeđivao uslove za razvitak. Ja se zalžem za tezu da je rana evolucija života pratila ista dva koraka kao i evolucija viših organizama. Prvo se pojavljuje embrionski stadijum života, ćelije sa kompletnim metabolizmima ali bez genetskog aparata zbog čega nisu mogle da evoluiraju preko tog primitivnog nivoa. Posle toga dolazi odrasla faza, ćelije koje imaju razvijeme genetske sisteme što im omogućava da razvijaju složeniji i prilagođeniji metabolizam, dok je ponovo tu prva faza koja daje podršku tokom razvoja druge faze.

Za mene, jedna od najprivlačnijih ideja iz teorije “kese za đubre” za poreklo života jeste to da ona pokazuje da život prati istu logiku, veliki evolutivni korak podeljen na dva zasebna skoka, u tri najbitnija perioda u svojoj istoriji. Prvi period je, kada je pre četiri milijarde godina život nastao, imao dva skoka – metabolizam i razmnožavanje. Drugi period je po Margulisu bilo vreme nastajanja modernih ćelija, pre oko dve milijarde godina, kada su dva skoka bila parazitski napadi i simbioza. Poslednji, treći period je bio razvoj viših organizama, od pre oko 500 miliona godina, kada su dva skoka bila embrioni i paketi ćelija koji izrastaju u odrasle jedinke. U sve tri malopre pomenute revolucije prvi korak se oslanjao na grube i jednostavne načine nasleđivanja, a drugi korak je pravio skokove na nove nivoe sofisticiranosti u prevođenju genetskih jezika u anatomsku strukturu.

Oko 150 miliona posle Kambriske eksplozije, život je napravio jedan od najvećih skokova prelaskom iz mora na kopno. Da bi preživeo na kopnu morao je izmisliti pluća, kosti za nošenje sopstvenog tereta i kožu kojom bi sprečio gubitak vode. Prve životinje koje su izašle na kopno nisu još uvek imale nepropusnu kožu. Bile su amfibije, životinje nalik žabama koje su se izlegale iz jaja u vodi i živele samo deo svog života na kopnu. Dehidrirale su i umirale ako su ostajale previše dugo na suncu. Prošlo je još 50 miliona godina do nastanka reptila, potomaka amfibija koji su bili potpuno prilagođeni životu na kopnu. Reptili su se sa svojim nepropusnim kožama raširili po celoj Zemlji i od nje načinili svoj dom. Oslobađanje života od okeana je omogućilo sve ono što danas Zemlju čini tako lepom - krzno i perije, drveće i cveće.

 << 1. Gravitacija je cool   2. Svet iz ”kese za đubre”   3. Tražeći život >>