Jeśli przebrnąłeś, Drogi Czytelniku, przez moje poprzednie dwa artykuły (str. 3065 i 3150) i masz wrażenie jakbyś przedzierał się przez gęsto zarośniętą przez prebiotyczne stwory dżunglę — masz rację. Nauka o początkach życia to teren wciąż na nowo poznawany, niczym nietknięte ludzką stopą skrawki ziemi, na których botanik z zaskoczeniem odnajduje dziwnego rodzaju kwiaty. Trzymając się dalej tego porównania, wędrówka przez zagadnienie cząsteczek prebiotycznych i pierwszych systemów biochemicznych to łatwiejsza część naszej podróży. I nie chodzi tu o stopień skomplikowania czy też zaawansowania w posiadanej wiedzy - chcąc nie chcąc pchamy się w głębokie błoto z ruchomymi piaskami. Brak nam dobrego przewodnika, jest ich kilku, ale ich nabazgrane na owczej skórze mapy mówią zupełnie coś innego. Najgorsze jest to, że jak już wdepniemy w bagno, konsekwentnie musimy się przez nie przedrzeć, aby uniknąć wyśmiania przez prymitywne plemię Kreacjonusów (które od pokoleń jest zdania, że przez bagna przedzierać się nie warto). Zadanie to ciężkie, ale spróbuję nakreślić mały przewodnik dla odkrywców pierwszych zaczątków już jak najbardziej współczesnego nam życia.

Mimo, iż najbardziej podstawowa definicja życia twierdzi, że tworem żywym jest układ biochemiczny podlegający ewolucji darwinowskiej, jesteśmy raczej skłonni akceptować życie w formie komórkowej. To już jakby namacalny dowód - możemy takie „coś" obejrzeć pod mikroskopem i być świadkiem jak zawzięcie macha rzęską w poszukiwaniu pokarmu. Żywa komórka nie jest jednak niczym innym niż imponująco skoordynowanym i skomplikowanym układem biochemicznym uwięzionym w błonie komórkowej. Właściwie należałoby użyć słowa „chronionym", gdyż błona komórkowa nie jest bynajmniej nieprzenikalną ścianą, a bardzo złożonym, selektywnie przepuszczającym tworem. Rycina 1 to bardzo duże uproszczenie tego niesamowitego, dynamicznego tworu.

Rycina 1. Mozaikowy model błony współczesnych komórek.

Oprócz lipidów, składa się ona z wszelakiej maści białek transbłonowych biorących udział w transporcie cząsteczek do i z wnętrza komórki. Błona komórkowa jest przepuszczalna jedynie dla niektórych. Pośród nich znajdują się cząsteczki wody oraz gazów takich jak tlen, azot i dwutlenek węgla oraz dla lipidów takich jak cholesterol. Ograniczona przepuszczalność dotyczy niektórych jonów, cukrów i innych małych molekuł. Przepływ wody może być zwiększony poprzez ostatnio intensywnie badane kanały wodne. Przez miliardy lat błony wykształcały system kanałów do biernego transportu np. jonów, co jest podstawą wrażliwości komórek. Oprócz tego istnieje również wyrafinowany system transportu aktywnego (zużywającego energię chemiczną) — pozwalający na przenoszenie „pod prąd". Powrócimy do tego zagadnienia trochę później. Błona komórkowa wystawia swoje „czułki" w postaci łańcuchów cukrowych, co jest podstawą wszelakiej interakcji ze środowiskiem. Cała struktura jest elastyczna i znajduje się w ciągłym ruchu.

Jeśli chcemy być konsekwentni, musimy założyć kilka rzeczy, które pozwoliłyby na powstanie pierwszych tworów komórkopodobnych.

Po pierwsze: pierwotna błona musiała uformować się spontanicznie z materiałów dostępnych na młodej Ziemi, bądź/oraz zawleczonych z kosmosu. Mało prawdopodobne byłoby założenie, że pływające swobodnie cząsteczki utworzyły miejscowe zagęszczenie prowadząc do skomplikowanego systemu produkcji lipidów i ich dystrybucji wokół zagęszczenia.

Po drugie: błona ta oprócz oczywistej ochrony systemu biochemicznego od środowiska będzie zapewniała chociażby najbardziej podstawowy rodzaj transportu. Miałoby to służyć do utrzymania odpowiedniego stężenia jonów po obu stronach, dostarczania substratów do syntezy wewnątrz oraz usuwanie niepotrzebnych produktów.

Po trzecie: powstała błona musi umożliwić „rozmnażanie" pierwotnej komórce. Czy byłoby to prymitywne pączkowanie, czy bardziej lub mniej zaawansowany podział — sprawny układ biochemiczny musi przekazać korzystne cechy następnemu „pokoleniu".

Powstanie. Witamy w tłustym towarzystwie

Wydaje się całkiem prawdopodobne, że nie tylko cząsteczki dostępne na młodej Ziemi, ale również składniki pozaziemskich obiektów mogły być źródłem powstania pierwszych błon. Szacuje się, że bombardowanie meteorytami wczesnej Ziemi mogło dostarczyć około 10⁷ kg na rok organicznych materiałów [1]. Wydaje się, iż rodzime surowce byłyby wystarczające, trudno jest jednak wykluczyć zawleczenia zarodków życia na Ziemię.

Wróćmy do budowy błony komórkowej, a właściwie do podstawowych „cegiełek" ją budujących. Ograniczę się jednak do podstawowych informacji, niezbędnych do dalszej lektury artykułu. Głównym składnikiem obecnych błon komórkowych są fosfolipidy (Rycina 4A) — cząsteczki zaliczane do grupy związków amfifilowych. Oznacza to, że posiadają obydwie cechy z reguły pojedynczo przypisane do jednej cząsteczki. W tym przypadku jest ona podzielona na dwa regiony — umowna "głowa" jest hydrofilowa, czyli „lubi" środowisko wodne, zaś "ogon" jest hydrofobowy, czyli będzie zawsze dążył od ukrycia się przed cząsteczkami wody.

Wyobraźmy sobie mieszaninę takich cząsteczek — otóż mają one skłonność do spontanicznego łączenia się w tzw. micele — drobne pęcherzyki oraz w dwuwarstwy (Rycina 2 i 3 — widać, że twory te powstają na skutek „uciekania" części hydrofobowych cząsteczek od środowiska wodnego - próbują się one upakować jak najciaśniej, wystawiając na zewnątrz części hydrofilowe). W specyficznych warunkach mogą również tworzyć zamknięte dwuwarstwy, na kilka różnych sposobów opisanych dalej.

Rycina 2. Formowanie uporządkowanych struktur przez cząsteczki amfifilowe. [2]

Rycina 3. Szczegółowy model dwuwarstwy utworzonej przez fosfolipidy.

Zadajmy więc podstawowe pytanie. Czy tak skomplikowane fosfolipidy były dostępne na prebiotycznej Ziemi? Najwyraźniej nie. Były jednak dostępne inne cząsteczki, znacznie prostsze lecz nadal zachowujące właściwości amfifilowe (spójrz na porównanie — Rycina 4). Wśród najpowszechniejszych znajdują się proste kwasy i alkohole oraz pochodne związków zwanych w skrócie PAH (polycyclic aromatic hydrocarbon — policykliczne węglowodory aromatyczne), proponuje się również pochodne izoprenów.

Rycina 4. Składnikiem współczesnych błon komórkowych są fosfolipidy (A). Składnikami pierwszych prymitywnych błon mogły być np. kwas 5-metylo nonanowy (B) obecny w meteorytach, czy substancja zwana w skrócie POPC (C). [2, 3]

O tym, że cząsteczki takiego rodzaju były zdolne do formowania zamkniętych dwuwarstw (pęcherzyków) świadczy doświadczenie zespołu dr Davida Deamera, który wyekstrahował je z skrawka meteorytu z Murchison. Ten dość spory kawałek gwiezdnej skały okazał się bezcennym znaleziskiem. Nie dosyć, że posiadał substancje uzyskane w eksperymencie Ureya-Millera (co potwierdziło jedynie nieuniknione powstanie życia we Wszechświecie), zawierał również cząsteczki amfifilowe takie jak kwas 5-metylononanowy (Rycina 4B) i przedstawicieli z grupy PAH. Otóż okazuje się, że takie cząsteczki mogą formować twory komórkopodobne w miejscowych zagęszczeniach [2]. Tutaj przychodzi z pomocą teoria lagun Stanleya Millera, o której wspominałem w poprzednich artykułach. Otóż parująca woda z niecek, brzegów mogła powodować zwiększenie stężenia w tym również omawianych przez nas cząsteczek. Tak więc podczas symulacji odpowiednio zagęszczone substancje amfifilowe spontanicznie formowały pęcherzyki (Rycina 5 A). Kalifornijscy naukowcy wskazują właśnie na PAH jako główne ich składniki. Mało tego — podobne doświadczenie przeprowadził dr James Dworkin używając jednak ekstraktu z zamrożonej materii międzygwiezdnej [2]. Tutaj głównym składnikiem była mieszanina kwasu i alkoholu dekanowego. (Rycina 5 B)

Rycina 5. (A) — ekstrakt z meteorytu z Murchison; pęcherzyki są zdolne do uwięzienia fluorescencyjnego barwnika. (B) — ekstrakt z materii międzygwiezdnej. Fluorescencyjna substancja barwi dwuwarstwy. [2, 3]

Spontaniczne formowanie się pęcherzyków nie wymaga zewnętrznej chemicznej energii, jednak zachowanych musi być kilka warunków. Jednym z nich jest, jak widzimy powyżej, ich odpowiednie zagęszczenie.

Proces ten mógł zachodzić na różne sposoby, takie jak wspomniane wyparowywanie w lagunach, krótkotrwałe zamarzanie i topnienie, czy adsorpcję na powierzchniach mineralnych [2]. Ostatni przypadek byłby najbardziej faworyzowany, gdyż, jak pamiętamy, na takich powierzchniach mogą być formowane katalitycznie aktywne RNA. Wnikanie cieczy z substancjami w szczeliny dawałoby bardzo dobrą ochronę przed nieprzyjaznymi warunkami zewnętrznymi. Okazuje się, że dwuwarstwowe pęcherzyki mogą być łatwo tworzone z miceli w cyklach ogrzewania i chłodzenia [4], które mogły być bardzo powszechnym zjawiskiem geologiczno-klimatycznym na młodej Ziemi. Proponuje się również inną możliwość — polimeryzację atmosferycznego metanu pod wpływem promieniowania UV. Substancja ta tworzyłaby swoistego rodzaju „kożuch" hydrofobowy pływający na dużych powierzchniach zbiornika i tworzyła parasol ochronny dla pływających pod nim cząsteczek [5]. Ostatnio ta kwestia stała się bardzo ważna, gdyż ponownie odkryto ślady komórkowych organizmów fotosyntetycznych datowanych na 3,7 miliarda lat, więc znacznie starsze zalążki życia musiały powstawać w wysoce niekorzystnych warunkach [6].

Przełomowe badania M. Hanczyca, S. Fujikawy i J. Szostaka publikowane w zeszłym roku zademonstrowały ewidentnie spontaniczne formowanie się dwuwarstwowych pęcherzyków w obecności ilastego minerału — montmorylonitu [7]. Patrz Rycina 5.1.

Rycina 5.1. Oto seria doświadczeń przeprowadzonych przez Hanczyca, Fujikawę i Szostaka. [7] Przedstawione tu pęcherzyki zostały uwidocznione fluorescencyjnie. Panele I, J przedstawiają czerwono barwione RNA zamknięte w wybarwionych na zielono pęcherzykach. Panele F,H przedstawiają wybarwiony montmorylonit — minerał wspomagający formowanie się pęcherzyków. Panele B,D pokazują pęcherzyki zawierające ciekawe twory aluminowo-krzemowe. ^{[ 1 ]}

Po przeczytaniu tego tekstu, czytelnicy często wybierają też: Jak powstało życie? Jak powstał pierwszy system biochemiczny?

See comments (7)..

Send text to e-mail address..

Print-out version..    PDF    MS Word

Marcin Klapczyński Ukończył biologię molekularną na Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu. Pracował jako Research Specialist in Health Science w Department of Anatomy and Cell Biology na University of Illinois w Chicago. Obecnie pracuje jako Associate Cell Biologist / Histologist w Abbott Laboratories (Illinois). Specjalizuje się w ekspresji białek 'od zera', hodowlach linii komórkowych, symulacji in vitro procesów zachodzących w komórkach. Jego pasją jest teoria ewolucji, w szczególności ewolucja systemów biochemicznych i pochodzenie życia we Wszechświecie.  Number of texts in service: 22  Show other texts of this author  Number of translations: 1  Show translations of this author  Newest author's article: Wykonanie statywu Dobsona, złożenie i kolimacja teleskopu