Η αυγή της ζωής σε φούρνο τοστιέρας 5$
Ο Θεός θα μπορούσε εξίσου να είχε ξεκινήσει με ένα φούρνο τοστιέρα. Πριν από μερικά χρόνια σε μια πώληση στην αυλή, ο Nicholas Hud εντόπισε έναν καλό υποψήφιο:Ένα vintage μοντέλο General Electric, επιχρωμιωμένο με πάνελ από κόκκους ξύλου, φωλιασμένο σε ένα παλιό κιτρινισμένο κουτί, σχεδόν αχρησιμοποίητο. Η τέλεια συσκευή για το μαγείρεμα των χημικών πρόδρομων ουσιών της ζωής, σκέφτηκε. Το αγόρασε για $5.
Στο σπίτι του, στο υπόγειό του, με τη βοήθεια του κολεγιακού γιου του, έκοψε μια ορθογώνια τρύπα στο πίσω μέρος του φούρνου, μέσα από την οποία ένα αυτοματοποιημένο συρόμενο τραπέζι (ανακυκλωμένο από έναν παλιό σαρωτή εγγράφων) μπορούσε να μετακινήσει έναν δίσκο με πειράματα μέσα και έξω. Στη συνέχεια, προσάρτησε μια αντλία σύριγγας σε ορισμένα εξαρτήματα εκτυπωτή inkjet και άρμαξε το σύστημα για να στάζει περιοδικά νερό στο δίσκο.
Σήμερα, το σκεύασμα βρίσκεται στην κορυφή ενός πάγκου εργασίας στο εργαστήριο του Χαντ στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια, όπου διευθύνει το Κέντρο Χημικής Εξέλιξης, μια πολυπανεπιστημιακή κοινοπραξία που χρηματοδοτείται από τη NASA και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, κυνηγούσε τις χημικές συνταγές που θα μπορούσαν να εξηγήσουν πώς προέκυψε η ζωή στη Γη. Όταν οι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν τη μοριακή προέλευση της ζωής στη δεκαετία του 1950, υπέθεσαν ότι τα πρώτα βιολογικά μόρια σχηματίστηκαν αυθόρμητα από μια σούπα αρχέγονων ενώσεων:ένα τυχερό πάντρεμα των κατάλληλων συστατικών, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, τη σωστή στιγμή. Ο Χαντ και οι συνάδελφοί του ανακαλύπτουν τώρα ότι η σπίθα της ζωής μπορεί να έπεσε πολύ πιο σταδιακά, όχι τυχαία αλλά μέσω μιας μακράς χημικής εξέλιξης.
Η τοστιέρα είναι το τελευταίο του πεδίο δοκιμών. Προσομοιώνει τους κύκλους του δροσερού και του ζεστού, και του υγρού και του ξηρού, που ο Hud υποπτεύεται ότι ξεκίνησε αυτή την εξελικτική διαδικασία, εκατομμύρια χρόνια πριν εμφανιστούν οι πρώτες κυτταρικές μορφές ζωής. Μιμείται τη συμπύκνωση δρόσου τη νύχτα και την εξάτμιση με την ανατολή του ηλίου. λακκούβες βροχής γεμίζουν και στεγνώνουν. παράκτιες λιμνοθάλασσες που πλημμυρίζουν και αδειάζουν με τις παλίρροιες. Ο Hud το αποκαλεί «μηχανή ημέρας-νύχτας».
Πέρυσι μια ανοιξιάτικη μέρα, αυτός και εγώ είμαστε μαζεμένοι γύρω από την οικιακή συσκευή, παρακολουθώντας τη να λειτουργεί. Έξω από τον φούρνο, η σύριγγα διοχετεύει μερικές σταγόνες νερού σε καθένα από τα έξι πηγάδια σε μια κεραμική πλάκα στον συρόμενο δίσκο. Για τους σκοπούς αυτής της επίδειξης, τα πηγάδια είναι άδεια. κατά τη διάρκεια πειραμάτων, περιέχουν ένα μείγμα απλών μορίων ή μονομερών, όπως αυτά που πιστεύεται ότι υπήρχαν στην πρώιμη Γη. Ο δίσκος εξαφανίζεται μέσα στο φούρνο, σφραγίζοντας τον. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει στους 185 βαθμούς Φαρενάιτ (85 βαθμούς Κελσίου), το νερό εξατμίζεται—την πρώτη μέρα. Περνούν λίγα λεπτά και ο δίσκος γλιστρά έξω. Τα πηγάδια κρυώνουν, το νερό στάζει και μπαίνει ο δίσκος—τη δεύτερη μέρα.
Η εξέλιξη απαιτεί δύο δυνάμεις:παραλλαγή και επιλογή. Όταν ένα παρασκεύασμα μονομερών στεγνώνει, η αφυδάτωση μπορεί να τα προκαλέσει να συνδεθούν μεταξύ τους, σχηματίζοντας αλυσίδες που ονομάζονται πολυμερή. Βρέξτε ξανά το μείγμα, ωστόσο, και μερικοί από αυτούς τους δεσμούς θα σπάσουν. Με άλλα λόγια, η διαδικασία είναι αναστρέψιμη. Τα πολυμερή μπορούν να σχηματιστούν, να διασπαστούν και να σχηματιστούν ξανά με νέες διαμορφώσεις. Αυτή είναι παραλλαγή. Τελικά, ορισμένα πολυμερή μπορεί να σκοντάψουν σε ένα πλεονέκτημα. Μπορεί, για παράδειγμα, να διπλωθούν σε σχήματα που να τους εμποδίζουν να σπάσουν πολύ γρήγορα. Αυτή είναι η επιλογή. «Αυτοί θα μπορούσαν να ήταν οι πρώτοι επιζώντες της εξέλιξης», λέει ο Hud.
Κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων κύκλων στην αρχέγονη Γη, εικάζει, ορισμένοι επιζώντες απέκτησαν άλλα πλεονεκτήματα, όπως η ικανότητα να καταλύουν αντιδράσεις. Άρχισαν να αλληλεπιδρούν και να συνεργάζονται, σχηματίζοντας πρωτόγονα χημικά δίκτυα. Αργά ή γρήγορα, ορισμένα δίκτυα άρχισαν να αυτοαναπαράγονται και απέκτησαν προστατευτικές μεμβράνες. Τότε ξεκίνησε η ζωή και τη σκυτάλη πήρε η βιολογική εξέλιξη. Οι κυτταρικοί σάκοι γέννησαν προκαρυώτες (βακτήρια και αρχαία), μονοκύτταρους ευκαρυώτες (πρωτόζωα, λάσπες και φύκια), γέννησαν πολυκύτταρους οργανισμούς (φυτά και ζώα), δημιουργώντας επιτέλους εμάς.
Και αν ο Χαντ έχει δίκιο, ο περιστρεφόμενος πλανήτης μας ήταν η γιγάντια μηχανή ημέρας-νύχτας που τα ξεκίνησε όλα.
Όλη η ζωή εξαρτάται από δύο είδη πολυμερών:τις πρωτεΐνες, οι οποίες εκτελούν τα βασικά καθήκοντα του μεταβολισμού. και νουκλεϊκά οξέα (DNA και RNA), τα οποία αποθηκεύουν γενετικές οδηγίες για να περάσουν στις μελλοντικές γενιές. Σε ένα διάσημο πείραμα το 1953, οι χημικοί Stanley Miller και Harold Urey έδειξαν ότι πολλά από τα δομικά στοιχεία για αυτά τα βασικά μόρια θα μπορούσαν να είχαν συγκεντρωθεί στη νεαρή Γη μόνο μέσω της χημείας, χωρίς βοήθεια από βιολογικές διεργασίες. Εφαρμόζοντας έναν ηλεκτρικό σπινθήρα σε ένα μείγμα τεσσάρων πρωτόγονων ενώσεων -μεθάνιο, αμμωνία, υδρογόνο και νερό- παρήγαγαν αμινοξέα, τις βασικές μονάδες των πρωτεϊνών. Χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθόδους, οι ερευνητές δημιούργησαν αργότερα μερικά από τα χημικά γράμματα, που ονομάζονται νουκλεοβάσεις, που συνθέτουν τον γενετικό κώδικα.
Ωστόσο, το πώς αυτά τα απλά μονομερή συρράπτονταν για πρώτη φορά σε πολυμερή, ήταν εικασία κανενός. Στα κύτταρα, οι πρωτεΐνες εκτελούν την περίπλοκη δουλειά της κατασκευής και αντιγραφής του DNA, ενώ το DNA παρέχει το σχέδιο για την κατασκευή πρωτεϊνών. Υπό το πρίσμα αυτού του παραδόξου με το κοτόπουλο και το αυγό, ορισμένοι ερευνητές όρισαν το RNA, το οποίο μεταφέρει πληροφορίες από το DNA στα εργοστάσια πρωτεϊνών, ως το πρώτο βιολογικό πολυμερές. Ίσως αυτό το μόριο αγγελιοφόρου να εκτελούσε τα καθήκοντα τόσο των πρωτεϊνών όσο και του DNA προτού η εξέλιξη διαχωρίσει αυτούς τους ρόλους. Στη δεκαετία του 1980, οι χημικοί Thomas Cech και Sidney Altman έδειξαν ότι αυτό μπορεί όντως να ήταν έτσι. Δουλεύοντας ανεξάρτητα, ανακάλυψαν ότι ορισμένα RNA μπορούν να καταλύουν χημικές αντιδράσεις όπως οι πρωτεΐνες, υποδηλώνοντας ότι τα αρχαία μόρια θα μπορούσαν να είχαν αντιγραφεί από μόνα τους.
Αλλά οι επιστήμονες έχουν αποτύχει μέχρι στιγμής να αναδημιουργήσουν το RNA υπό πρεβιοτικές συνθήκες. Το πιο κοντινό τους ήταν το 2009, όταν μια ομάδα με επικεφαλής τον John Sutherland στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ δημοσίευσε μια συνταγή στο περιοδικό Nature για τη σύνθεση από το μηδέν της βασικής μονάδας RNA:μια νουκλεοβάση συνδεδεμένη με ένα φωσφορικό σάκχαρο, που μαζί σχηματίζουν ένα νουκλεοτίδιο. Μπορεί το RNA να είναι πολύ περίπλοκο για να έχει συναρμολογηθεί αυθόρμητα, χωρίς βοήθεια από πρωτεΐνες. Εάν αυτό είναι αλήθεια, λένε ο Hud και άλλοι, πρέπει να έχει αναπτυχθεί από ένα πιο πρωτόγονο πολυμερές.
Ο Hud συγκρίνει το RNA με ένα βιολί Stradivarius:ένα τέλειο όργανο. «Αλλά δεν ξεκινάς να φτιάχνεις το Stradivarius», λέει. «Ξεκινάς με κάποιον που παίρνει ένα ραβδί με ένα κομμάτι κορδόνι και το τεντώνει σε ένα φιόγκο. Έτσι βλέπω το RNA—ως τον απόγονο μιας μακράς σειράς μορίων που εξελίχθηκαν για να μας δώσουν αυτό το τέλειο μόριο, … την κορυφή των πολυμερών». Ακόμα κι αν οι επιστήμονες μπορούσαν να σφυρηλατήσουν RNA ή άλλα θεμελιώδη πολυμερή σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, το αποτέλεσμα δεν θα αποκάλυπτε την πραγματική τους προέλευση. Όπως το τέρας του Δρ. Φρανκενστάιν, οι ραμμένες δημιουργίες θα έλεγαν ελάχιστα για την εξελικτική διαδικασία που σκάλισε την ομοιότητά τους για εκατομμύρια χρόνια.
Έτσι, η ομάδα του Hud έχει επικεντρωθεί στην αναζήτηση των προγόνων του RNA - μόρια που συμπεριφέρονταν παρόμοια, αλλά συναρμολογήθηκαν πιο εύκολα από το πρεβιοτικό περιβάλλον. Το κυνήγι ξεκίνησε πριν από μια δεκαετία με μια λίστα 100 μονομερών που είναι δομικά σαν τις νουκλεοβάσεις του RNA. Αφού δοκίμασαν δεκάδες υποψηφίους υπό διάφορες συνθήκες, οι ερευνητές έκαναν τελικά μια σημαντική ανακάλυψη. Σε μια εργασία του 2013, ανέφεραν ότι δύο μονομερή, η τριαμινοπυριμιδίνη (TAP) και το κυανουρικό οξύ (CA), συγκεντρώθηκαν σε δακτυλίους, οι οποίοι στοιβάζονται ο ένας πάνω στον άλλο, σχηματίζοντας αλυσίδες ίσες με τα γονίδια.
Σε μια μελέτη παρακολούθησης, η ομάδα έδειξε ότι ο TAP θα μπορούσε εύκολα να συνδεθεί με ένα σάκχαρο (ένα διαβόητο δύσκολο βήμα) για να παράγει μια ένωση που μοιάζει με μέρος ενός νουκλεοτιδίου. Όταν προστέθηκαν στο CA, τα οιονεί νουκλεοτίδια ομαδοποιήθηκαν επίσης σε αλυσίδες που μοιάζουν με γονίδια. Αλλά αυτά δεν ήταν αληθινά πολυμερή. Σε αντίθεση με τα πραγματικά νουκλεοτίδια του RNA, τα οποία είναι ραμμένα μεταξύ τους σαν χάντρες σε μια χορδή, αυτές οι μονάδες ήταν μόνο χαλαρά συνδεδεμένες, σαν μαγνήτες.
Το αποτέλεσμα, όμως, ήταν μόνο η αρχή. Αν δομές όπως οι αλυσίδες TAP-CA ήταν τα πρωτότυπα για το RNA — τα πρώτα ακατέργαστα όργανα — πώς έγιναν τότε αριστουργήματα;
Το γραφείο του Χαντ είναι διακοσμημένο με σκηνές εμπνευσμένες από ιστορίες προέλευσης. Σε έναν τοίχο υπάρχει ένα αντίγραφο της Δημιουργίας του Αδάμ του Μιχαήλ Άγγελου . Σε ένα άλλο υπάρχουν πορτρέτα του ινδουιστικού θεού Βισνού, σκαρφαλωμένο στον αρχέγονο «ωκεανό του γάλακτος» και του δημιουργού των Αζτέκων Quetzalcoatl, που φαντάζεται ως φτερωτό φίδι. «Όλο το διάστημα που είχαμε συνείδηση ως άνθρωποι, αναρωτιόμασταν από πού προέρχεται η ζωή», σκέφτεται ο Χαντ. «Θα ήταν υπέροχο αν μπορούσαμε να συνθέσουμε μια ιστορία που να είναι επιστημονικά εύλογη».
Ο Χαντ κατάγεται από το Λος Άντζελες, όπου ο πατέρας του ήταν επιθεωρητής ποιοτικού ελέγχου στη γαλακτοβιομηχανία. Η μητέρα του, νοσοκόμα και πιστή χριστιανή, τον έγραψε στο Καθολικό σχολείο για 16 χρόνια. Όμως το πάθος του ήταν η επιστήμη. Ήταν Ph.D. φοιτητής βιοφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ντέιβις, όταν ο Τσεχ και ο Άλτμαν κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ το 1989 για την ανακάλυψή τους στις ικανότητες που μοιάζουν με πρωτεΐνη του RNA. «Για αυτό μίλησαν όλοι», θυμάται ο Χαντ. Ήταν γαντζωμένος.
Το 1999, εντάχθηκε στη σχολή του Georgia Tech, όπου άρχισε να ερευνά την πιθανότητα ότι οι κύκλοι της Γης - υγρός και ξηρός, ζεστός και κρύος, μέρα και νύχτα - οδήγησαν στη δημιουργία πολυμερών της ζωής. Στη δεκαετία του 1970, μια χούφτα χημικοί προέλευσης ζωής, συμπεριλαμβανομένου του Stanley Miller, προσπάθησαν να παράγουν πρωτεΐνες και DNA στεγνώνοντας τα συστατικά τους σε γυαλιά ρολογιών σε μεγάλους φούρνους και στη συνέχεια ενυδατώνοντάς τα με το χέρι. Αλλά είχαν μικρή επιτυχία. Τελικά, η προσέγγιση -που ποτέ δεν ήταν πολύ δημοφιλής- ξέφυγε από τη χρήση καθώς οι ερευνητές άρχισαν να αναζητούν την προέλευση της ζωής σε ντόπιους πιο εξωτική από τις λακκούβες που στεγνώνουν, όπως οι υδροθερμικές οπές στον πυθμένα του ωκεανού.
Ο Χαντ, ωστόσο, πίστευε ότι ο Μίλερ και οι σύγχρονοί του ήταν στο σωστό δρόμο. Οι κύκλοι υγρού-στεγνού, συνειδητοποίησε, θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει πολυμερή λύνοντας αυτό που είναι γνωστό ως «παράδοξο του νερού». Ως διαλύτης, το νερό είναι ζωτικής σημασίας για τη ζωή:Διευκολύνει τις χημικές αντιδράσεις και βοηθά στη μεταφορά θρεπτικών ουσιών και αποβλήτων. Αλλά για να φτιάξετε τα πολυμερή της ζωής, πρέπει να αφαιρέσετε το νερό. Χωρίς περίτεχνο κυτταρικό μηχανισμό για τη συρραφή τους, οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα δεν θα μπορούσαν να συνδεθούν στο υδάτινο περιβάλλον ενός κυττάρου. Επομένως, τα πρώτα μόρια που μοιάζουν με ζωή πρέπει να χρειάζονταν τόσο υγρασία όσο και αποξήρανση.
Ο Χαντ αποφάσισε να αρχίσει να πειραματίζεται από εκεί που είχαν σταματήσει οι προκάτοχοί του. Αλλά η χειροκίνητη μέθοδος διαβροχής και ξήρανσης των μονομερών αποδείχθηκε πολύ κουραστική. «Γρήγορα έγινε ταλαιπωρία να κάνεις περισσότερους από δύο κύκλους την ημέρα», θυμάται ο Hud. "Ας πούμε ότι θέλαμε να δοκιμάσουμε 50 κύκλους—αυτό θα χρειαζόταν σχεδόν ένας μήνας!"
Τότε ήταν που αποφάσισε να κατασκευάσει μια μηχανή ημέρας-νύχτας. Συνεργάστηκε με πολλά σχέδια, συμπεριλαμβανομένου ενός που περιελάμβανε ένα flatiron και ένα τηγάνι πίτσας. Ένα άλλο σχέδιο τοποθέτησε έναν ρομποτικό βραχίονα σε μια μηχανή PCR, ένα κοινό εργαστηριακό εργαλείο που χρησιμοποιεί διακυμάνσεις θερμοκρασίας για την αντιγραφή του DNA. Σε ένα από τα πρώτα επιτυχημένα πειράματά τους, ο ίδιος και η ομάδα του το χρησιμοποίησαν για να αναπτύξουν αλυσίδες πρωτόγονων ενώσεων που ονομάζονται υδροξυοξέα απλώς διαβρέχοντας και στεγνώνοντας τα μονομερή ξανά και ξανά. Οι κύκλοι λειτουργούσαν σαν καστάνια. Όταν η μηχανή PCR θέρμαινε ένα διάλυμα υδροξυ οξέος και νερού, μερικά από τα μονομερή συνδέθηκαν καθώς στέγνωναν. Όταν κρύωσαν και το νερό επέστρεψε, κάποιοι από τους δεσμούς επέζησαν. «Η αντίστροφη αντίδραση θα είναι πιο αργή επειδή βρισκόμαστε σε χαμηλότερη θερμοκρασία και επομένως είναι λιγότερο πιθανό να διαλύσουμε αυτούς τους δεσμούς», εξηγεί ο Χαντ. «Έχουμε νερό που μπαίνει και νερό βγαίνει - μπρος-πίσω, μπρος-πίσω. Και όμως προχωράμε προς μια κατεύθυνση - χτίζουμε πολυμερή». Η ομάδα του δημοσίευσε τα ευρήματά της το 2014.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε τον Ιούλιο, πήγαν το πείραμα ένα βήμα παραπέρα:Πρόσθεσαν αμινοξέα. Με κάθε κύκλο υγρού-ξηράνσεως, καθώς τα υδροξυοξέα συνδέονταν και αυξάνονταν σε πολυμερή, μερικά από τα αμινοξέα ενσωματώθηκαν σε αυτές τις αλυσίδες, σχηματίζοντας διατάξεις που μοιάζουν με πρωτεΐνες. Ο Hud υποψιάζεται ότι μια παρόμοια διαδικασία, που ίσως περιελάμβανε τους προδρόμους του RNA, πιθανότατα συνέβη στην πρώιμη Γη, παρέχοντας το πρώτο βήμα της χημικής εξέλιξης.
Είναι ένα εύλογο σενάριο, λέει ο David Deamer, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Η θεωρία είναι ακόμη πιο πειστική, προσθέτει, επειδή η ομάδα του Hud μπόρεσε να επιδείξει τον σχηματισμό πολυμερών "χωρίς κανένα χημικό κόλπο".
Αλλά για να πουληθεί πραγματικά αυτή η ιστορία, επισημαίνουν ο Deamer και άλλοι, οι επιστήμονες θα πρέπει να δείξουν ότι οι κύκλοι υγρού-στεγνού όχι μόνο μπορούν να δημιουργήσουν πολυμερή αλλά και να επιλέξουν μόρια που δρουν ως καταλύτες. Η ομάδα του Hud δημιούργησε αλυσίδες που μοιάζουν με πρωτεΐνη μετά από μόλις 20 κύκλους. Μετά από εκατοντάδες —ή ίσως χιλιάδες— κύκλους, θα αρχίσουν κάποιες αλυσίδες να συστρέφονται με νέους τρόπους; Θα σχηματίσουν τσέπες με τέλειο σχήμα για να αιχμαλωτίσουν ένα άλλο μόριο, όπως ένα γάντι ταιριάζει στο χέρι; Θα βοηθήσουν στη συνέχεια αυτό το μόριο να αντιδράσει με άλλα μόρια, ενορχηστρώνοντας έτσι τη χημεία που είναι απαραίτητη για τη ζωή;
Για να απαντήσει σε αυτές τις ερωτήσεις, ο Hud θα στραφεί στον φούρνο του τοστιέρα, ο οποίος προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη ρύθμιση PCR. Είναι φθηνότερο και πιο απλό στον προγραμματισμό, καθιστώντας εύκολο για τους μαθητές του να εκτελέσουν πειράματα. Και είναι ευέλικτο. Ενώ η μηχανή PCR τους αναγκάζει να δοκιμάσουν διαλύματα σε μικροσκοπικούς πλαστικούς σωλήνες, η τοστιέρα επιτρέπει μεγαλύτερους όγκους υγρών και ποικιλία επιφανειών. «Μπορούμε να βάλουμε οποιοδήποτε είδος αντικειμένου στο δίσκο», λέει ο Hud. «Μπορούμε πρακτικά να κάνουμε ολόκληρη την επιφάνεια να μιμείται έναν βράχο», μια πιθανή γενέτειρα ζωής. Τους επόμενους μήνες, σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει την τοστιέρα για να αυξήσει τον αριθμό των κύκλων ημέρας-νύχτας. "Ο στόχος είναι να κάνουμε πάνω από 100 έως αρκετές εκατοντάδες κύκλους", λέει.
Εάν η ομάδα του Hud μπορέσει να περάσει από τα μονομερή στους καταλύτες, λέει ο Robert Hazen, ορυκτολόγος στο Ινστιτούτο Carnegie, «αυτός θα ήταν ξεκάθαρα ο μηχανισμός που πρέπει να νικήσει». Ο κινητήρας για τη ζωή και την εξέλιξη θα μπορούσε τότε, όπως λέει ο Hud, να είναι τόσο απλός όσο «ένας πλανήτης που περιστρέφεται μπροστά από ένα αστέρι».
Ο Johnny Bontemps είναι επιστημονικός συγγραφέας με έδρα το Μπρούκλιν της Νέας Υόρκης.
