Toate formele de viaţă au în esenţă aceleaşi principii biologice. Cu toate acestea, există speranţă crescândă din partea astronomilor, astrologilor şi a unor biologi că alte forme de viaţă ar putea fi descoperite sau sintetizate. Sunt însă toţi biologii de aceeaşi opinie?
Entuziasmul ar trebui temperat de faptul că nu cunoaştem probabilitatea pentru „crearea” vieţii. Câţi biţi de informaţie sunt necesari pentru „a crea” viaţa şi de unde ar putea apărea aceştia? Un sistem genetic care conţine mai mulţi biţi decât numărul necesar pentru „a iniţia” viaţa ar putea fi considerat o nouă formă de viaţă.
Până în prezent au fost descoperite mai mult de 1000 de planete din afara sistemului nostru solar. Un anumit număr dintre acestea se află în zone locuibile, având caracteristicile Terrei. În anii ce urmează vom avea date legate de compoziţia lor atmosferică, dar este puţin probabil ca aceste planete să fie în echilibru chimic.
Anunţuri despre descoperirea vieţii extraterestre au venit de-a lungul timpul din numeroase părţi. Preşedintele Clinton a anunţat în 1996 că un meteorit de pe Marte descoperit în Antarctica „confirmă” existenţa vieţii extraterestre. Forme de viaţă cu origine extraterestră (având la bază arsenicul) au fost descoperite şi în Lacul Mono, în California (au fost de fapt, proteobacterii care au reuşit să supravieţuiască în mediu toxic). Craig Venter a creat recent o bacterie sintetică, „primul organism care se poate reproduce, al cărui părinte este un computer” (de fapt, „părintele” bacteriei era Mycoplasma mycoides, iar genomul ei a fost construit prin procedurile de sinteză a ADN-ului şi amplificare PCR).
Cunoaştem o singură formă de viaţă, cea pământeană, şi de aceea în prezent privim viaţa dintr-un singur unghi. Viaţa pe care o cunoaştem are la bază celule, cu informaţie genetică formată din acizi nucleici. Viaţa se auto-reproduce, transmite informaţiile genetice copiilor, evoluează conform principiilor lui Darwin. Viaţa începe cu materiale având energie ridicată pe care le transformă în produse cu energie scăzută. Din perspectiva noastră, viaţa există de 4 miliarde de ani pe o singură planetă cu temperatură blândă şi scoarţă solidă. Este posibil să existe zeci, dacă nu chiar mii de planete locuibile la câţiva ani-lumină de Pământ, şi mai multe milioane de astfel de planete în galaxia noastră, ceea ce determină astronomii să afirme cu siguranţă că nu suntem singuri în univers.
Jocul de-a probabilităţile
Care este în realitate probabilitatea ca o planetă cu clima blândă şi scoarţă solidă să genereze viaţa? Ştiinţa (încă) nu are un răspuns. Exerciţiul de a calcula această probabilitate ar avea sens dacă am avea mai multe „exemple de viaţă”, fie descoperite în spaţiu, fie pe Terra, in vitro. Dacă noua formă de viaţă ar avea toate proprietăţile descrise anterior ale vieţii pământene, am putea concluziona, evident, că nu suntem singuri în Univers. Dar dacă noua entitate ar avea numai câteva dintre aceste proprietăţi? Dacă s-ar putea auto-reproduce, având urmaşi cu aceeaşi compoziţie şi aceleaşi caracteristici, dar nu ar putea evolua funcţii noi? Dacă ar avea procese chimice complexe în compartimente asemănătoare celulelor, dar nu ar avea informaţie transmisă genetic? Dacă ar avea toate proprietăţile vieţii pământene, dar ar avea aceeaşi origine ca viaţa de pe Pământ şi nu o altă origine, diferită?
În faţa acestor întrebări ipotetice legate de viaţa extraterestră, trebuie să luăm în considerare informaţia necesară pentru a genera viaţa. Câţi biţi „ereditari” trebuie să existe şi cum ar putea fi ei generaţi? Sistemele biologice se diferenţiază de sistemele chimice prin componentele care, din mai multe alternative, adoptă o anumită compoziţie bazată pe istoria sistemului. În acest sens, putem spune că sistemele biologice au o „memorie moleculară” (genotipul), care este produsul experienţei (selecţia) şi este menţinută de auto-reproducere. Putem număra numărul de biţi din această memorie moleculară, de exemplu, doi biţi per pereche de nucleotide pentru un genom format din acizi nucleici. Numărul de biţi creşte odată cu excluderea anumitor compoziţii şi acceptarea altora. Formal, numărul de biţi poate fi calculat ca log2 din numărul de compoziţii posibile împărţit la numărul de compoziţii realizate. Trebuie să numărăm numai acei biţi care se adună în interiorul sistemului, nu şi cei încorporaţi dinafara sistemului, cu cost zero.
Presupunem că avem o moleculă care se poate duplica infinit, direcţionând „unităţile” de construcţie spre crearea unor copii identice cu ele însele. Ea ar constitui un proces chimic interesant, dar în lipsa unei oportunităţii precum apariţia compoziţiilor alternative care să se poată auto-reproduce – evoluţia în sensul lui Darwin – conţinutul biţilor ar fi zero. Să presupunem că avem o serie de procese complexe ce au loc într-un compartiment fizic, în creştere. Acesta ar fi din nou un proces chimic interesant, dar nu ar implica transmiterea de informaţii ereditare. Acest sistem ar permite apariţia unor biţi noi, dar toţi biţii noi ar fi generaţi din organismul pre-existent. Pentru apariţia unei noi forme de viaţă, majoritatea biţilor ar trebui să fie auto-generaţi.
„Generarea” vieţii
În principiu, sunt două căi prin care s-ar putea genera o nouă formă de viaţă:
1. Direct, prin procese chimice
sau
2. Importată dintr-o formă de viaţă deja existentă.
Dacă viaţa este generată direct din chimie, după cum se crede că a apărut pe Pământ, atunci începe cu zero biţi ereditari şi se organizează într-un sistem care generează biţi noi. Odată cu sfârşitul unei ere caracterizată de chimie abiotică, care atinge un nivel înalt de complexitate chimică, apare „memoria moleculară”. Molecule cu compoziţie variabilă încep să se multiplice, apar mutaţii şi evoluează conform teoriei lui Darwin. Dacă, în schimb, viaţa este generată dintr-o formă de viaţă anterioară, atunci are un atu şi beneficiază de mediul chimic al formei de viaţă anterioară. Noua formă de viaţă poate creşte din rămăşiţele formei de viaţă anterioare, moştenind sau nu anumite secvenţe de biţi. Prima formă de tranziţie, cea în care o formă de viaţă a moştenit secvenţe de biţi ale unei forme de viaţă anterioare, se crede că a avut loc în prima parte a vieţii pământene, când viaţa bazată pe ARN a generat viaţa bazată pe ADN şi proteine. Această tranziţie a implicat un transfer substanţial de biţi, care s-au acumulat în ARN şi s-a transferat în ADN, în ceea ce poate fi numită „Marea Transcripţie inversă”. Secvenţe ale biţilor ancestrali pot fi întâlnite în secvenţele de ARN ribozomal, ARN de transport şi probabil alte tipuri de ARN.
S-a sugerat că viaţa bazată pe ARN a fost precedată de alte forme de viaţă, cum ar fi moleculele asemănătoare cu acidul nucleic numite „acidul treos-nucleic (ATN)” sau „acidul glico-nucleic (AGN)”. Până în prezent nu s-au descoperit urme de de viaţă dinaintea existenţei ARN-ului în biologia contemporană. Asta ar putea fi o consecinţă a faptului că nu putem să o identificăm. Ar fi posibil să fi existat forme de viaţă înaintea ARN-ului, fără să fi avut deloc caracteristicile ARN-ului. Informaţia din aceste molecule pre-ARN au fi putut fi translatate în ARN printr-o maşinărie asemănătoare ribozomilor, unde ARN este de data aceasta ieşirea şi nu intrarea („output-ul” şi nu „inputul”). Alternativ, formele de viaţă pre-ARN ar fi putut facilita apariţia vieţii pre-ARN independent, dar fără transferul de informaţii. Formele de viaţă pre-ARN ar fi putut genera moleculele de ARN ca produs metabolic şi astfel formele de ARN ar fi putut începe să se reproducă şi să evolueze independent.
De la început
Discuţia prezentată mai sus sugerează că existe numeroase căi prin care o formă de viaţă poate genera o altă formă de viaţă, dar nu explică cum apare viaţa de la bun început. Întrebarea cheie este: care e numărul minim necesar de biţi pentru ca un organism care se poate auto-reproduce, evolua şi să îşi poate mări informaţia genetică? Răspunsul depinde de natura chimică a primei molecule care se poate auto-reproduce şi de resursele care există în mediul înconjurător. Atunci când astronomii vorbesc despre „zonele locuibile”, ei se referă la distanţa faţă de cea mai apropiată stea, care să poată permită menţinerea apei lichide pe suprafaţa unei planete. Asta ar fi o definiţie fie prea restrictivă, fie prea laxă. Viaţa ar putea exista şi într-un mediu fără apă, deşi există puţine dovezi care să susţină acest fapt. Dar, chiar şi un lac cu temperatură potrivită, cu apă, săruri şi alte componente organice nu ar putea neapărat genera viaţă. Lacul ar trebui să acumuleze hetero-polimeri de compoziţii variabile, incluzând câţiva care s-ar putea reproduce şi ar putea pune bazele „memoriei moleculare”. Nu este clar cu ce probabilitate s-ar putea produce acest şir de evenimente.
În sensul biţilor, un hetero-polimer binar care conţine 10 subunităţi ar avea 1024 potenţiale compoziţii, şi orice compoziţie specifică ar reprezenta până la 10 biţi de informaţie ereditară. Pare greu de crezut că ar putea exista un hetero-polimer cu doar 10 biţi, care să se poată auto-reproduce. Să presupunem că avem un hetero-polimer cuaternar (precum ARN-ul), care este compus dintr-un şir de 40 de subunităţi. Există 1024 astfel de compoziţii, şi fiecare compoziţie în parte ar reprezenta până la 80 de biţi de informaţie genetică. Un biochimist specializat în ARN ar putea argumenta că 80 de biţi nu sunt suficienţi pentru a avea o formă de viaţă. Cu toate acestea, pentru a reprezenta toate combinaţiile posibile, măcar într-un singur exemplar, lacul nostru ar trebui să conţină 27 de kilograme de ARN, lucru puţin probabil! În sfârşit, să presupunem că există milioane de combinaţii „câştigătoare” de câte 40 de subunităţi, toate capabile să se auto-reproducă şi să iniţieze evoluţia darwiniană. Atunci, chiar şi un miligram de ARN ar putea conţine „sămânţa” vieţii.
În laborator se pot prepara cantităţi de un miligram de ARN generat aleatoriu care să aibă maxim 40 de subunităţi. Pot fi generate provizii nelimitate de nucleotide, iar reacţiile pot fi atent monitorizate. Ţinând cont de toate acestea, cum de oamenii nu au putut încă genera forme de viaţă ARN experimentale? Pentru că chiar şi un miligram de ARN e insuficient. Pentru ca o moleculă de ARN „să poate germina” trebuie să se auto-copieze mai repede decât se degradează şi trebuie să opereze cu fidelitate suficientă astfel încât copiile să fie şi ele viabile. Aceste condiţii pot fi îndeplinite într-un mediu curat, care conţine doar forma de viaţă şi nucleotidele-componente. Evoluţia în sensul lui Darwin poate îmbogăţi o moleculă dintr-un miligram, dar evoluţia darwiniană are la bază chimia, iar chimia compuşilor complecşi este greu de urmărit şi prezis.
Un mod de a evita problemele ce apar în chimia compuşilor complecşi ar fi crearea compartimentelor. Compartimentele nu trebuie să atingă complexitatea celulelor, trebuie doar să împiedice amestecul de ARN şi să permită acumularea „produselor evoluţiei” într-un singur loc, pentru beneficiul formei de viaţă care le-a produs.
Perspective
Se poate ca în viitor un sistem genetic alternativ să conţină un număr mai mare de biţi ereditari decât numărul de biţi necesari pentru a iniţia operarea lor. Trecerea peste această limită este un criteriu rezonabil pentru a avea o nouă formă de viaţă. Generarea unei noi forme de viaţă, direct din chimia anorganică, este foarte improbabilă. Generarea unei forme de viaţă din celule existente este şi ea puţin probabilă. Între aceste două posibilităţi, generarea unei noi forme de viaţă poate începe cu un număr mic de biţi, generaţi aleatoriu prin procese chimice sau derivate din forme de viaţă existente şi apoi continua cu acumularea de noi biţi în acelaşi sistem. S-ar putea ca prima alternativă la viaţa pământeană să se afle pe o planetă extrasolară, într-o rocă de pe planeta Marte sau într-un mediu extrem de pe Terra. Mai probabil, ar fi produsul muncii unei specii inteligente, care a descoperit principiile evoluţiei darwiniene şi a descoperit cheia sistemelor chimice care pot genera proprii lor biţi.
Traducere după„Bit by Bit, The Darwinian Basis of Life”, de Gerald F. Joice.
Traducere: Monica Abrudan.
Articol preluat de pe BlogulDespreStiinta, cu acordul editorului.
