Autogeneza celulară a determinat apariţia vieţii?

Originea vieţii pe Pământ reprezintă încă un subiect aprig dezbătut. Există multe teorii diferite privind modul în care viaţa a apărut, precum şi diverse experimente, în curs de desfăşurare, care încearcă să înţeleagă procesele implicate în această cauză.

De exemplu, o abordare de tip inginerie inversă poate utiliza separarea celulelor până când se obţine cel mai simplu sistem posibil. Cu toate acestea, evoluţia a îngreunat înţelegerea noastră asupra originilor vieţii şi, în cele din urmă, ea a şters urmele către primele forme de viaţă, făcând imposibil de parcurs drumul înapoi către primele etape ale apariţiei vieţii. Acest lucru înseamnă că sistemele simple, obţinute în cazul unei abordări de tipul ingineriei inverse, sunt încă prea complicate pentru a putea considera că ele s-ar asemăna cu primele forme de viaţă.

Convecţia cauzată de procesul de încălzire va genera un model de hexagoane într-o peliculă subţire de ulei, arătând că ordinea poate fi provocată într-un sistem. Credit: Van Dyke 1982, un album despre mişcarea fluidelor.

Viaţa trebuie să fi început într-un mod simplu, ea nu putea fi creată de către un grup complex de molecule care lucrau deja împreună. Trebuie să fi existat o etapă, anterioară acestui proces, în care au fost obţinute aceste molecule. Terrence Deacon, de la University of California Berkeley, a prezentat, într-o discuţie recentă, cum s-ar fi putut desfăşura această etapă.


Viaţa are nevoie de ordine

O condiţie necesară care trebuie să fie îndeplinită înainte ca viaţa să poată apare, este aceea să se obţină ordinea. Cu toate acestea, această condiţie nu este atât de de simplu de obţinut după cum s-ar putea crede, pentru că legile fizicii stabilesc că lucrurile, în mod natural, vor intra într-o stare de dezordine. De exemplu, o carte pusă într-un mod neglijent pe marginea unui raft va cădea, în mod probabil, generând o astfel de dezordine, dar este foarte puţin probabil a se obţine, din nou, ordinea, prin ridicarea de la sine a cărţii în bibliotecă.

De asemenea, ordinea mai poate fi creată la un nivel local, chiar şi atunci când sistemul global tinde să se îndrepte către o stare de dezordine. Adăugarea de căldură într-un sistem poate creşte gradul de organizare al acestuia. De exemplu, un model regulat de hexagoane este obţinut atunci când o peliculă subţire de ulei este încălzită, în mod uniform, pentru a se crea celulele de convecţie Benard.

„Dacă încălziţi ceva şi acel ceva capătă o structură regulată, veţi constata că acesta va încerca să scape de căldură cât mai repede posibil", a explicat Deacon. „Deci, dacă nu menţineţi transferul de căldură în sistem, acesta se va închide în sine. De fapt, sistemele caracterizate printr-o autoorganizare distrug condiţiile ce sunt provocate din exterior, cât mai repede posibil".

Viaţa poate apare doar prin generarea de ordine, dar aceasta apare în aşa fel încât această ordine din sistem nu se degradează în timp, iar sistemul nu se distruge, în cele din urmă, de la sine.

Autogeneza ca o punte către viaţă

Deacon a descris un proces teoretic numit „autogeneză", care are capacitatea de a crea, păstra şi de a reproduce ordinea, o caracteristică distinctivă a organismelor vii.

Acest proces este compus efectiv din două subprocese: cataliza reciprocă şi autoasamblarea. Un catalizator este ceva care accelerează o reacţie chimică, iar cataliza reciprocă înseamnă că doi sau mai mulţi catalizatori contribuie fiecare la sinteza fiecăruia în parte. O parte din energie este transferată din molecula iniţială către următoarea şi aceasta este utilizată, în continuare, pentru a divide o altă moleculă care, la rândul său, primeşte această energie.

„Este un tip de relaţie similar cazului în care voi mă scărpinaţi pe spate, în timp ce eu vă fac acelaşi lucru", a declarat Deacon. „Aproape toată chimia ce este implicată în celulele vii conţine acest tip de circularitate".

Autoasamblarea spontană poate apare deoarece unele molecule se pot uni, cu uşurinţă, într-o manieră simetrică. Acest lucru se poate întâmpla în interiorul celulelor pentru a se crea microtubuli.

Un microtubul, aflat într-o celulă, reprezintă un exemplu în care ceva viu este creat, în mod spontan, printr-un proces de autoasamblare. Credit: Eva Nogales.

„Microtubulii sunt ca un fel de schelet al unei celule, dar ei reprezintă, de asemenea, un fel de căi de acces, aflate în interiorul unei celule, de-a lungul cărora circulă moleculele", a explicat Deacon.

Cataliza reciprocă şi autoasamblarea se susţin reciproc, atâta timp cât fiecare proces în parte produce ceea ce celălalt are nevoie. Cataliza reciprocă asigură o concentrare locală a moleculelor, dar, fără a exista ceva care să le menţină în loc, acestea se vor îndepărta rapid atât de departe încât ele nu vor mai fi capabile să interacţioneze. Cu toate acestea, concentrarea locală de molecule reprezintă condiţia necesară pentru ca procesul de autoasamblare să poată construi o barieră în jurul catalizatorilor, reuşind în acest fel să-i unească.

„Ceea ce trebuie să faceţi pentru a menţine aceşti catalizatori independenţi împreună, reprezintă ceea ce ei produc, ca o consecinţă a acestei acţiuni", a spus Deacon. „Rezultatul este că aceste containere conţin componentele pe care ele trebuie să le producă".

Dacă recipientul ce menţine aceşti catalizatori împreună se sparge, atunci catalizatorii se vor vărsa. Cu toate acestea, nu este totul pierdut, deoarece ei îşi vor crea alte recipiente pentru ei înșiși. Dacă catalizatorii sunt împrăştiaţi pentru un timp scurt, este posibil să se formeze mai multe sisteme, ceea ce înseamnă că ei pot efectiv „reproduce".

Aceste „celule" autogene sau autocelule, nu reprezintă nişte celule în sensul obişnuit al cuvântului, pentru că lor le lipsesc anumite procese care sunt esenţiale pentru viaţă.

Cu toate acestea, modul în care acestea se comportă este similar cu cel al structurilor ce conţin viaţa. Ele au capacitatea de a crea ordine şi apoi de a împiedica pierderea acesteia, asigurând, în schimb, obţinerea condiţiilor necesare pentru a se putea recrea pe sine.

Deacon a subliniat importanţa pe care o are înţelegerea faptului că pentru căutarea vieţii, în altă parte a Universului, este nevoie de o schimbare ]n gândire. Trebuie să renunţăm a ne mai gândi la modul în care viaţa a apărut pe Pământ şi care au fost moleculele ce au fost implicate în acest proces. În schimb, trebuie să ne concentrăm atenţia pe principiile generale care sunt implicate în apariţia vieţii.


Captarea energiei

Pe măsură ce celulele autogene se divid, în mod repetat şi apoi se reunesc, ele au șansa de a interacţiona cu mediul lor înconjurător. Dacă una dintre aceste celule autogene captează un catalizator care funcţionează mai bine decât alţii, ea va produce mai mulţi catalizatori proactivi, de acest tip, care să permită o formă limitată de evoluţie.

În cazul în care această moleculă ipotetică este similară unei nucleotide, atunci aceasta ar putea, de asemenea, primi energie din mediu printr-o captură suplimentară de fosfaţi. Acest surplus de energie ar putea accelera sistemul. Cu toate acestea, fosfaţii de mare energie ar putea influenţa în sens negativ sistemul, deoarece acesta s-ar putea rupe complet. Prin gruparea acestor molecule de energie mare în cadrul polimerilor, este posibil să se stocheze energie atunci când aceasta nu este utilizată.

Celebrul meteorit marţian ALH 84001 conţine o „fosilă" care se consideră că nu reprezintă viaţă, din cauza dimensiunii sale mici, dar, cu toate acestea, ea ar putea fi o celulă autogenă, adică un precursor al vieţii. Credit: NASA.


Un ajutor primit din partea planetelor gigante, formate din gaz

O problemă importantă ce apare în ceea ce priveşte procesul de autogeneză este reprezentată de faptul că aceasta este foarte puţin probabil să apară pe o planetă având un mediu prebiotic, deoarece polimerii necesari apariţiei vieţii se descompun în apă. Cu toate acestea, dacă considerăm o planetă gazoasă gigantă, precum Jupiter, nivelele ridicate de metan şi amoniac, prezente în acest caz, vor produce polimeri de acid cianhidric. Aceşti polimeri pot fi produşi numai în medii fără apă şi ei au o „coloană vertebrală" identică în cazul proteinelor, dar cu lanţurile de polimeri de cealaltă parte. Ei sunt numiţi poliamide.

Dacă poliamidele au ajuns pe Pământ în epocile anterioare, atunci când Pământul a fost bombardat cu materie din exteriorul sistemului solar, ele au intrat în contact cu apa. Cu toate acestea, aceşti polimeri speciali au rezistat şi nu s-au descompus, pentru un anumit interval de timp. În schimb, ei şi-au înlocuit lanţurile laterale cu carbohidraţi ce sunt caracteristici proteinelor.

În acest fel, ei creează proteine parţiale şi acesta ar putea fi modul prin care autogeneza, care se bazează pe proteine, a apărut pe Pământ, într-o perioadă timpurie a acestuia. Planetele interioare au, de asemenea, avantajul de a conţine fosfor, sulf şi fier, care nu se găsesc pe planetele gigante gazoase aflate în cadrul sistemului solar, iar aceste metale accelerează cataliza.

Deacon este convins că sistemele solare, în totalitatea lor, sunt necesare pentru apariţia veţii, nu doar planetele similare Pământului, ce conţin apă. Viaţa probabil că are nevoie de un sistem solar, similar cu al nostru, pentru a putea apărea, deși procesele de autogeneză ar putea avea loc chiar şi într-un sistem solar care conţine doar planete gigante formate din gaz.

Catalizatorii ar putea forma suficient de multe molecule care se autoasamblează, creând o barieră în jurul catalizatorilor, astfel încât aceştia să nu se disperseze. Credit: Terrence Deacon.

Deacon a indicat, de asemenea, un aspect interesant referitor la meteoritul marţian ALH 84001, care iniţial i-a încântat pe oamenii de ştiinţă, deoarece acesta părea să conţină microbi fosilizaţi. Această eventualitate a fost ulterior infirmată de majoritatea oamenilor de ştiinţă, parţial pentru că structurile existente pe suprafaţa sa au fost considerate a fi prea mici. Cu toate acestea, mărimea şi caracteristicile fosilei descoperite sunt specifice unei celule autogene, astfel încât acest meteorit ar putea să ne arate un precursor fosilizat al vieţii. Deacon crede că celulele autogene ar fi putut apărea pe planeta Marte înainte de a se forma pe Pământ, dar numai planeta noastră a avut condiţiile potrivite, pentru un timp îndelungat, pentru a permite apariţia vieţii.

Chiar și într-o teorie alternativă cu privire la originea vieţii, în care se sugerează că viaţa a început datorită ARN-ului (n.t. - acidul ribonucleic), există dovezi că viaţa pe Pământ nu ar fi putut să înceapă fără existenţa altor planete. Stephen Benner a prezentat o teorie în cadrul conferinţei Goldschmidt, din luna august, care afirmă că condiţiile existente în perioada preistorică a Pământului ar fi servit doar pentru a inhiba formarea ARN-ului. Planeta Marte, pe de altă parte, ar fi fost chiar potrivită pentru apariţia ARN-ului. Deşi într-o perioadă din istoria planetei Marte a existat apă, aceasta nu a fost suficientă pentru a împiedica formarea ARN-ului. De asemenea, în timp ce  planeta Pământ, în perioada sa timpurie, era lipsită de oxigen, planeta Marte ar fi avut suficient de mult pentru a produce oxizi de molibden şi bor, care sunt esenţiali pentru producerea de ARN.

Formele autogene sunt, probabil, mult mai răspândite decât viaţa în Univers, deoarece acestea pot fi obţinute din mulţi compuşi diferiţi. Există un tip general de chimie care poate fi similar în întregul Univers, indicând faptul că acest proces este mult mai important decât moleculele implicate în cadrul său.