Μικροκεραυνοί και ηλεκτρισμένα σταγονίδια: Πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη

«Λέγεται συχνά ότι όλες οι συνθήκες για την πρώτη δημιουργία ενός ζωντανού οργανισμού υπάρχουν και σήμερα, όπως υπάρχουν κάποτε. Αλλά, αν (και τι τεράστιο αν!) μπορούσαμε να φανταστούμε μια μικρή, ζεστή λίμνη, γεμάτη αμμωνία και φωσφορικά άλατα, με φως, θερμότητα, ηλεκτρισμό και άλλα στοιχεία παρόντα, όπου μια πρωτεϊνική ένωση σχηματίστηκε χημικά, έτοιμη να υποστεί ακόμη πιο σύνθετες αλλαγές,  σήμερα η ύλη αυτή θα απορροφούνταν αμέσως, πράγμα που δε θα συνέβαινε πριν από τη δημιουργία των ζωντανών πλασμάτων», έλεγε ο Χούκερ. 

Τη δεκαετία του 1920, τα συστατικά της ζωής θα «μεταφερθούν» από τη μικρή ζεστή λίμνη της δαρβίνης υπόθεσης στους ωκεανούς της πρώτης επιστημονικής θεωρίας για την αρχή της ύπαρξης, την «αρχέγονη σούπα» (primordial soup ). Ο Ρώσος βιοχημικός Alexander Oparin και ο Βρετανός επιστήμονας JBS Haldane θα προτείνουν ότι η ζωή προήλθε από ανόργανες ουσίες στην πρώτη ατμόσφαιρα (π.χ. μεθάνιο, αμμωνία), οι οποίες μετατράπηκαν σε οργανικά όργανα (π.χ. αμινοξέα) μέσα από την κεραυνική επίδραση εξωτερικών πηγών ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια. συσσωρεύτηκαν στους πρώτους θερμούς ωκεανούς και εξελίχθηκαν σε πιο περίπλοκες δομές.
Θα μεσολαβήσουν 30 χρόνια μέχρι η σούπα της αβιογένεσης να προσομοιωθεί στο εργαστήριο από τον νομπελίστα χημικό Harold Urey και τον μεταπτυχιακό φοιτητή Stanley Miller. Το 1952, θα εισαγάγουν σε ένα κλειστό γυάλινο δοχείο με νερό μεθάνιο, αμμωνία και υδρατμούς, κυρίαρχες, όπως πίστευαν, ενώσεις στην πρώτη ατμόσφαιρα, που τις «χτυπήσουν» με σπινθήρες ηλεκτρισμού και θα αφήσουν να ψυχθούν και να συμπυκνωθούν, ώστε να πέσουν η «ακριβή». Σε μία εβδομάδα, ο «ωκεανός» στη φιάλη βρασμού θα γίνει καστανοκόκκινος από χημικές αντιδράσεις που οδήγησαν στον σχηματισμό αμινοξέων , δομικών στοιχείων των πρωτεϊνών.
Αν και το ιστορικό πείραμα Miller-Urey είχε αποκαλύψει έναν πιθανό μηχανισμό σύνθεσης των μορίων που απαιτούνται για την παραγωγή ζωής, δεν έπεισε εν όλω την επιστημονική κοινότητα. Οι επικριτές επεσήμαναν αδυναμίες και μεθοδολογικά σφάλματα , όπως η σπανιότητα των κεραυνών, το τεράστιο μέγεθος των ωκεανών και η αφθονία αζώτου και διοξειδίου του περιβάλλοντος στην πρώιμη ατμόσφαιρα, αντί υδρογόνου και μεθανίου.

Στις παραπάνω κριτικές «απάντησε» πρόσφατη μελέτη από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, που έδειξε ότι η ζωή μπορεί να ξεκινήσει από μικροσκοπικά σταγονίδια και αναμεταξύ τους « μικροκεραυνούς », υπό ακριβέστερες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Από τη σούπα στα ηλεκτρισμένα σταγονίδια της ζωής

Για την εμφάνιση της ζωής δεν χρειάστηκαν κεραυνοί σε ωκεανούς παρά αμέτρητες μικροσκοπικές ηλεκτρικές εκκενώσεις -ή «μικροκεραυνοί» - σε αδιόρατα σωματίδια νερού, όπως στα εκνεφώματα που σχηματίζουν τα κύματα και οι καταρράκτες, χωρίς να μεσολαβήσει κάποια εξωτερική ενέργεια, κατέληξαν ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Εξετάζοντας πώς τα μικροσταγονίδια αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο κατά τον σχηματισμό του νέφους, διαπίστωσαν ότι τα μεγαλύτερα έφεραν συχνά θετικό φορτίο και τα μικρότερα αρνητικό και, καθώς πλησίαζαν μεταξύ τους, προκάλεσανταν « μικροκεραυνοί », αόρατες λάμψεις που κατέγραψαν με κάμερες υψηλής ταχύτητας. Όταν ψέκασαν νερό σε ένα μείγμα αερίων όπως αυτό που, το πιθανότερο, προκάλεσε την αρχέγονη ατμόσφαιρα -άζωτο, μεθάνιο, διοξείδιο του οργανισμού, αμμωνία- οι μικροκεραυνοί συντέλεσαν στους σχηματισμούς μορίων με δεσμούς άνθρακα-αζώτου, όπως υδροκυάνιο , το αμινοξύ γλυκίνη και η του ουρακική ουσία.

Οι χημικοί δεσμοί άνθρακα-αζώτου, ανύπαρκτοι στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της Γης, είναι απαραίτητοι για τις πρωτεΐνες, τα ένζυμα, τα νουκλεϊνικά οξέα και άλλες βασικές βιολογικές δομές.

«Οι μικροηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ αντίθετα φορτισμένων μικροσταγονιδίων νερού έχουν όλα τα οργανικά μόρια που είχαν παρατηρηθεί προηγουμένως στο πείραμα Miller-Ure. Προτείνουμε ότι αυτός είναι ένας νέος μηχανισμός για τη σύνθεση μορίων, που οδήγησε σε προπομπούς και δομικά στοιχεία της ζωής » δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Richard Zare, καθηγητής Φυσικών Επιστημών και Χημείας στο Στάνφορντ και Επίτιμος Διδάκτορας, από το 2022, του Τμήματος Χημείας, της Σχολής Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών.

«Στην αρχέγονη Γη, σχηματίζονταν παντού τέτοια νέφη από σταγονίδια νερού -μέσα σε χαράδρες ή σε βράχια- που μπορούσαν να συσσωρευτούν και να προκαλέσουν αυτή τη χημική αντίδραση. Πιστεύω ότι έτσι μπορούμε να υπερβούμε πολλά από τα προβλήματα που χρέωσαν στην υπόθεση Miller-Urey» σχολίασε ο Δρ Zare.

Η μελέτη, τα ευρήματα της οποίας δημοσιεύτηκαν στο Science Advances , προστίθεται στο τεράστιο επιστημονικό έργο για το πώς ξεκίνησε η ζωή πριν από τουλάχιστον 3,7 δις. χρόνια, με βάση τα παλαιότερα γνωστά απολιθώματα, ή και πριν από 4,3 δις. χρόνια.

Άλλες 6 θεωρίες για την προέλευση της ζωής

Η υπόθεση των Miller-Urey ήταν μία από τις πολλές προσπάθειες της επιστημονικής κοινότητας να δώσει οριστική απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια: ποιες ήταν οι απαρχές της ζωής;

1. Η θεωρία της πανσπερμίας

Σύμφωνα με τη θεωρία της πανσπερμίας, η ζωή ή τα δομικά της συστατικά, όπως τα αμινοξέα, ο άνθρακας και το νερό, έφτασαν στη Γη από το διάστημα. Οργανικά μόρια έχουν ανευρεθεί σε μετεωρίτες, ενώ υλικά από τον Άρη έχουν φτάσει στη Γη. Ο βραβευμένος με Νόμπελ χημικός Jack Szostak υποστήριξε ότι οι προσκρούσεις αστεροειδών και κομητών αποτέλεσαν αναπόσπαστο στοιχείο της πρώτης ζωής και συνέβαλαν στη δημιουργία υδρογόνου και μεθανίου, ενισχύοντας έτσι την υπόθεση των Miller-Urey.

2. Η θεωρία των υποθαλάσσιων υδροθερμικών αναβλύσεων
Η ζωή μπορεί να ξεκινήσει στα βάθη των ωκεανών, κοντά σε υποθαλάσσια ηφαιστειακά ρήγματα , όπου το εμπλουτισμένο με μετάλλα θερμό νερό διαμόρφωσε τις κατάλληλες συνθήκες για τις πρώτες χημικές αντιδράσεις. Παρότι έχουν εντοπιστεί μονοκύτταροι οργανισμοί (αρχαία και βακτήρια) που επιζούν σε τέτοια περιβάλλοντα και ερευνητές έχουν δημιουργήσει πρωτοκύτταρα υπό αντίστοιχες συνθήκες, για κάποιους επιστήμονες, όπως ο Δρ Szostak, η θεωρία δεν ευσταθεί, καθώς δεν γίνεται δημιουργία ζωής χωρίς την υπεριδώδη ακτινοβολία του ήλιου.

3. Η θεωρία του αργίλου (πηλού)
Υπήρξαν θεωρίες που συσχέτισαν την εμφάνιση της ζωής με αργιλικά ορυκτά όπως ο μοντμοριλλονίτης, ο πλούσιος σε σίδηρο άργιλος και η μίκα (ή μαρμαρυγίας). Το 1985, ο βιοχημικός Alexander Cairns-Smith πρότεινε ότι η ζωή ξεκίνησε σε κρυσταλλικές δομές αργίλου, που συνέβαλαν στην οργάνωση και αναπαραγωγή των πρώτων μορίων, κατά παρόμοιο τρόπο με το DNA. Πιο πρόσφατα, το 2002, η βιοφυσικός Helen Hansma υποστήριξε ότι η μίκα, ένα σταθερότερο ορυκτό με ιόντα καλίου, αποτέλεσε ιδανικό μικροπεριβάλλον για τη δημιουργία κυτταρικών δομών, εξασφαλίζοντας προστασία και μηχανική ενέργεια για τις χημικές αντιδράσεις της ζωής.

4. Η θεωρία του πάγου
Το 2000, ο Αμερικανός χημικός Jeffrey Bada υποστήριξε ότι, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, ο πάγος που τους κάλυπτε τους ωκεανούς προστάτευε τα οργανικά μόρια από την υπεριώδη ακτινοβολία και τις προσκρούσεις μετεωριτών, σταθεροποιώντας τα μόρια και τις αντιδράσεις. Η υπόθεση ότι η αρχέγονη σούπα ήταν κρύα δεν έγινε εύκολα αποδεκτή, αλλά ενισχύθηκε συν τω χρόνω από επιστήμονες όπως οι Sergei Kazakov και Brian Johnston , σύμφωνα με τους οποίους ο πάγος επέτρεψε σε μικρά τμήματα RNA να κολλήσουν μεταξύ τους και να συμπεριφερθούν ως ένα μεγαλύτερο μόριο, ανοίγοντας τον δρόμο για δημιουργία πιο πολύπλοκων αλληλουχιών RNA.

5. Η θεωρία του κυρίαρχου RNA
Προτού εμφανιστεί το DNA και οι πρωτεΐνες, η ζωή μπορεί να βασιστεί στο RNA και τη μοναδική ικανότητα του να αποθηκεύσει γενετικές πληροφορίες, να καταλήξει σε χημικές αντιδράσεις - όπως αποδεικνύεται τα σύγχρονα ριβόζυμα- και να δημιουργεί αντίγραφά του, αποτελώντας καταλληλότερο μόριο για την προαγωγή της ζωής σε πρώτα περιβάλλοντα. Εντούτοις, σημαντική αδυναμία της υπόθεσης είναι η εύθραυστη φύση του RNA και η δυσκολία να σχηματιστεί αυθόρμητα στις συνθήκες της πρώτης Γης.

6. Η θεωρία του πρωταρχικού μεταβολισμού
Αντί για γενετικό υλικό, η ζωή μπορεί να ξεκινήσει με αυτοσυντηρούμενους μεταβολικούς κύκλους, όπου μικρά μόρια αλληλεπιδρούσαν διαρκώς μέσα σε πρωτοκύτταρα (αρχέγονα κύτταρα). Η υπόθεση του πρωταρχικού μεταβολισμού (metabolism-first hypothesis) εξηγεί πώς μπορεί να δημιουργηθούν βασικές βιοχημικές διεργασίες πριν από την εμφάνιση του RNA , παραμένει όμως ασαφές πώς αυτά τα χημικά μονοπάτια οδήγησαν στη ζωή όπως γνωρίζουμε.

*Με πληροφορίες από το University of Chicago News, το National Geographic και το Live Science.

Ειδήσεις σήμερα:

Προβληματισμός στην ΕΕ για την Τουρκία μετά τη σύλληψη Ιμάμογλου - Για την ευρωπαϊκή αυτονομία τα 150 δισ. της άμυνας, η θέση Μητσοτάκη στη σύνοδο Κορυφής

Μπαράζ 184.000 ελέγχων από την ΑΑΔΕ το 2025: Στο «μικροσκόπιο» επιχειρήσεις, οφειλέτες, ακίνητα και καταθέσεις

Εκνευρισμός στο ΠΑΣΟΚ μετά τις δημοσκοπήσεις: Άκουσε κυρία μου, είπε ο Ανδρουλάκης στη Λιακούλη - «Δεν είμαι η κυρία σου, είμαι εκλεγμένη βουλευτής» του απάντησε