Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς έναν κόσμο χωρίς τηλέφωνα, κτίρια ή ακόμα και ανθρώπους. Αλλά, μια φορά κι έναν καιρό, η Γη ήταν μια «σούπα από πύρινο μάγμα».
Χρειάστηκαν μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να αρχίσει ο πλανήτης να ψύχεται και να σχηματίσει ωκεανούς με υγρό νερό, και στη συνέχεια άλλα μερικά εκατομμύρια χρόνια για να εξελιχθούν τα βακτήρια που κάνουν φωτοσύνθεση.
Αλλά το ερώτημα για το πώς δημιουργήθηκαν τα πρώτα κύτταρα – και επομένως η ίδια η γένεση της ζωής όπως την ξέρουμε – προβληματίζει τους ειδικούς. Τώρα, όμως, μια ομάδα επιστημόνων στην Καλιφόρνια μπορεί να έχει βρει το κλειδί για να λύσει αυτό το μυστήριο 4 δισεκατομμυρίων ετών.
Τι βρήκαν οι επιστήμονες
Ερευνητές του Ερευνητικού Ινστιτούτου The Scripps Research Institute έχουν καταλήξει σε μια ενδεχομένως πρωτοποριακή εξήγηση για το πώς πρωτοεμφανίστηκαν τα πρωτοκύτταρα – οι πρόδρομοι των σύγχρονων ζωντανών κυττάρων.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στις 29 Φεβρουαρίου, υποδηλώνουν ότι μια βασική χημική διαδικασία, που ονομάζεται Φωσφορυλίωση (Phosphorylation), έλαβε χώρα νωρίτερα από ό,τι αναμενόταν.
Η φωσφορυλίωση είναι η σύνδεση φωσφορικών ομάδων σε ένα μόριο, που τα αναγκάζει να εξελίσσονται χημικά και να θέτουν σε εφαρμογή μια ποικιλία λειτουργιών. Πιο πολύπλοκα δομικά πρωτοκύτταρα θα ήταν ικανά να φιλοξενούν χημικές αντιδράσεις και να διαιρούνται με ένα ποικίλο φάσμα λειτουργιών, σημειώνουν οι ειδικοί.
Και επεξεργαζόμενοι τον τρόπο με τον οποίο σχηματίστηκαν τα πρωτοκύτταρα, οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα πώς θα μπορούσε να έχει λάβει χώρα η πρώιμη εξέλιξη.
«Κάποια στιγμή, όλοι αναρωτιόμαστε από πού προήλθαμε», δήλωσε ο χημικός Ramanarayanan Krishnamurthy του Scripps Research, ο οποίος συνυπογράφει την εργασία. «Ανακαλύψαμε τώρα έναν εύλογο τρόπο με τον οποίο τα φωσφορικά άλατα θα μπορούσαν να έχουν ενσωματωθεί σε δομές που μοιάζουν με κύτταρα νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, γεγονός που θέτει τα δομικά στοιχεία για τη ζωή».
«Το εύρημα αυτό μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα τα χημικά περιβάλλοντα της πρώιμης Γης, ώστε να μπορέσουμε να αποκαλύψουμε την προέλευση της ζωής και τον τρόπο με τον οποίο η ζωή μπορεί να εξελιχθεί στην πρώιμη Γη» συνέχισε.
Ο Krishnamurthy και οι συνάδελφοί του μελετούν πώς συνέβησαν οι χημικές διεργασίες που προκάλεσαν τις απλές χημικές ουσίες και τους σχηματισμούς που υπήρχαν πριν από την εμφάνιση της ζωής στην προβιοτική Γη.
Πώς τα φωσφορικά άλατα εμπλέκονται στον σχηματισμό των πρωτοκυττάρων
Στην εργασία τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Chem, προσπάθησαν να εξετάσουν αν τα φωσφορικά άλατα μπορεί να εμπλέκονται κατά τον σχηματισμό των πρωτοκυττάρων. Τα φωσφορικά άλατα είναι παρόντα σχεδόν σε κάθε χημική αντίδραση στο σώμα, οπότε ο Krishnamurthy υποψιάστηκε ότι μπορεί να ήταν παρόντα νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.
Εδώ και καιρό πιστεύεται ότι τα πρωτοκύτταρα σχηματίζονταν από λιπαρά οξέα, αλλά οι ερευνητές δεν μπορούσαν να καταλάβουν πώς τα πρωτοκύτταρα μεταπήδησαν από μια απλή αλυσίδα σε μια διπλή αλυσίδα φωσφορικών αλάτων, η οποία είναι αυτή που τους επιτρέπει να είναι πιο σταθερά και να φιλοξενούν χημικές αντιδράσεις, όπως η ερευνητική ομάδα του Scripps Research.
Προκειμένου να το διερευνήσουν αυτό, οι ειδικοί μιμήθηκαν αληθοφανείς πρεβιοτικές συνθήκες – τα περιβάλλοντα που υπήρχαν πριν από την εμφάνιση της ζωής.
Πρώτον, εντόπισαν τρία πιθανά μείγματα χημικών ουσιών που θα μπορούσαν δυνητικά να δημιουργήσουν κυστίδια – σφαιρικές συλλογές λιπών παρόμοιες με τα πρωτοκύτταρα. Οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιήθηκαν περιλάμβαναν λιπαρά οξέα και γλυκερίνη, τα οποία μπορεί να υπήρχαν στην πρώιμη Γη.
Στη συνέχεια, παρατήρησαν τις αντιδράσεις αυτών των μιγμάτων και πρόσθεσαν επιπλέον χημικές ουσίες για να δημιουργήσουν νέα μίγματα. Τα διαλύματα αυτά ψύχονταν και στη συνέχεια θερμαίνονταν επανειλημμένα και ανακινούνταν κατά τη διάρκεια της νύχτας για να προωθηθούν οι χημικές αντιδράσεις.
Στη συνέχεια, ο Krishnamurthy και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν φθορίζουσες χρωστικές για να αναλύσουν τα μείγματα και να κρίνουν αν είχε συμβεί σχηματισμός κυστιδίων. Επίσης, διαφοροποίησαν το pH και τις αναλογίες των συστατικών σε ορισμένα δείγματα για να κατανοήσουν καλύτερα πώς αυτοί οι παράγοντες επηρέασαν το σχηματισμό των κυστιδίων. Επιπλέον, εξέτασαν την επίδραση των μεταλλικών ιόντων και της θερμοκρασίας στη σταθερότητα των κυστιδίων.
«Τα κυστίδια μπόρεσαν να μεταβούν από ένα περιβάλλον λιπαρών οξέων σε ένα περιβάλλον φωσφολιπιδίων κατά τη διάρκεια των πειραμάτων μας, γεγονός που υποδηλώνει ότι ένα παρόμοιο χημικό περιβάλλον θα μπορούσε να υπήρχε πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια» δήλωσε ο μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Krishnamurthy, Sunil Pulletikurti.
Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα λιπαρά οξέα και η γλυκερόλη μπορεί να έχουν υποστεί φωσφορυλίωση για να δημιουργήσουν πιο σταθερές δομές διπλής αλυσίδας.
Για παράδειγμα, οι εστέρες λιπαρών οξέων που προέρχονται από τη γλυκερόλη μπορεί να οδήγησαν στη δημιουργία κυστιδίων με διαφορετικές ανοχές σε ιόντα μετάλλων, θερμοκρασίες και pH – ένα κρίσιμο βήμα για τη διαφοροποίηση της εξέλιξης.
«Ανακαλύψαμε ένα πιθανό μονοπάτι για το πώς τα φωσφολιπίδια θα μπορούσαν να έχουν προκύψει κατά τη διάρκεια αυτής της χημικής εξελικτικής διαδικασίας», δήλωσε ο βιοφυσικός Ashok Deniz, ο οποίος εργάστηκε επίσης στη μελέτη. «Είναι συναρπαστικό να αποκαλύπτουμε πώς οι πρώιμες χημικές διαδικασίες μπορεί να έχουν μεταβεί για να επιτρέψουν τη ζωή στη Γη. Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν επίσης μια πληθώρα ενδιαφέρουσας φυσικής που μπορεί να έπαιξε βασικούς λειτουργικούς ρόλους στην πορεία προς τα σύγχρονα κύτταρα» συμπλήρωσε.
Παρόλα αυτά, παρά τα συναρπαστικά ευρήματά τους, υπάρχει πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει.
Ο Deniz, ο Krishnamurthy και η ομάδα τους στοχεύουν να επεξεργαστούν γιατί ορισμένα από τα κυστίδια συμπεριφέρθηκαν διαφορετικά από άλλα και έτσι να κατανοήσουν καλύτερα τις δυναμικές διαδικασίες των πρωτοκυττάρων.
Αλλά το έργο τους σίγουρα δίνει ελπίδες ότι μια μέρα θα καταλάβουμε πώς ακριβώς προέκυψε η ζωή στη Γη.