-
Fosfor umożliwia funkcjonowanie DNA, RNA i ATP, ale jego fosforany są słabo reaktywne, co budzi pytania o ich rolę u początków życia.
-
Badania wykazały, że metale obecne w kominach hydrotermalnych na dnie oceanu, szczególnie pallad, mogą ułatwiać reakcje potrzebne do powstawania ważnych związków fosforu.
-
Naukowcy analizują różne hipotezy pochodzenia fosforu w biologii, a środowisko hydrotermalnych kominów oceanicznych pozostaje jednym z głównych obszarów poszukiwań.
-
Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Fosfor jest wszędzie tam, gdzie jest życie. Buduje szkielet DNA i RNA, pomaga komórkom przechowywać i przenosić energię, bierze udział w podstawowych reakcjach biologicznych. Dziś trudno wyobrazić sobie organizm, który mógłby się bez niego obyć.
Problem w tym, że z punktu widzenia chemii fosforany nie wyglądają jak idealny kandydat na jeden z fundamentów życia. Są stabilne, słabo rozpuszczają się w wodzie i niechętnie łączą się z innymi cząsteczkami. A pierwsze życie musiało powstać właśnie w wodnym świecie prostych reakcji chemicznych.
To jedna z zagadek badań nad początkiem życia. Skoro fosforany są tak oporne, jak mogły stać się częścią DNA, RNA i komórkowej energetyki? Nową odpowiedź proponuje zespół Williama Martina, biologa ewolucyjnego z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie.
Początek życia mógł zacząć się od prostszej chemii
Trop prowadzi na dno pradawnych oceanów, w okolice kominów hydrotermalnych. To miejsca, w których z dna morskiego wydobywa się gorąca woda bogata w minerały. Dziś żyją tam organizmy korzystające z energii chemicznej, bez dostępu do światła słonecznego. Dlatego od lat część badaczy uważa, że podobne środowiska mogły być dobrym miejscem dla narodzin życia.
Pomysł Martina jest stosunkowo prosty. Zanim pojawiły się enzymy, część ich pracy mogły wykonywać metale obecne w skałach. Enzymy są dziś precyzyjnymi narzędziami komórek. Przyspieszają reakcje i pozwalają utrzymać życie. Ale na młodej Ziemi enzymów jeszcze nie było. Musiało istnieć coś prostszego.
Tym „czymś” mogły być metale. Martin i Manon Schlikker sprawdzili, czy potrafią one pomóc w reakcjach, w których związki fosforu łączą się z cząsteczkami ważnymi dla życia. Nikiel działał częściowo. Znacznie lepiej wypadł pallad.
W eksperymentach pallad pomagał tworzyć wiązania fosforanowe z rybozą, glukozą, AMP, octanem i kreatyną. To ważne, bo ryboza jest cukrem potrzebnym do budowy RNA i DNA, a AMP należy do tej samej rodziny związków, co ATP, podstawowy nośnik energii w komórkach.
Metale z dna oceanu mogły zastąpić pierwsze enzymy
Badacze nie twierdzą, że odtworzyli narodziny życia w laboratorium. Pokazują raczej możliwy fragment drogi: prosty mechanizm, dzięki któremu fosfor mógł zostać włączony do chemii prowadzącej później do biologii.
To istotne, bo podobny kierunek widać we współczesnych mikroorganizmach. Już w 2000 r. Bernhard Schink i Michael Friedrich z Uniwersytetu w Konstancji opisali bakterię, która potrafi przekształcać fosfit w fosforan i przy okazji tworzyć ADP. ADP jest bezpośrednim prekursorem ATP. W 2023 r. zespół Schinka opisał enzym odpowiedzialny za tę reakcję.
Martin uznał, że taki enzym może być późniejszą, biologiczną wersją starszego rozwiązania. Najpierw reakcję mogły prowadzić metale w skałach, a dopiero później organizmy przejęły ją i udoskonaliły za pomocą enzymów.
Ten pomysł pasuje do szerszej hipotezy, według której początki metabolizmu były mocno związane z geologią. Zanim istniały geny i komórki w znanej dziś postaci, na dnie oceanu mogły działać naturalne „warsztaty chemiczne”: skały, gorąca woda, wodór, metale i proste cząsteczki organiczne.
Fosfor, wodór i skały w jednym miejscu
Ważne jest to, że kominy hydrotermalne mogły dostarczać wielu potrzebnych składników naraz. Martin interesuje się szczególnie kominami serpentynizacyjnymi. Powstają tam, gdzie woda morska reaguje ze skałami bogatymi w żelazo. W efekcie pojawia się dużo wodoru, który mógł być źródłem energii dla pierwszych reakcji prowadzących do życia.
Najnowsze analizy skał podobnych do tych z takich środowisk pokazują, że mogą one zawierać drobne ziarna metali, w tym nikiel i pallad. „To, co widzimy, jest absolutnie niesamowite” – mówi Katy Evans, geolożka z Curtin University, cytowana przez „Science”. Jak wyjaśnia, takie ziarna mają dużą powierzchnię i są w kontakcie z płynami krążącymi w środowisku serpentynizacji.
Potrzebny byłby jeszcze fosfit, czyli bardziej reaktywna forma fosforu. I tu również pojawia się ważny trop. Zespół Matta Paska z Rensselaer Polytechnic Institute pokazał cztery lata temu, że fosfit występuje w niektórych skałach serpentynizowanych.
To nie rozwiązuje całej zagadki. Pokazuje jednak, że w jednym środowisku mogły spotkać się metale, fosfit, wodór i cząsteczki organiczne. Innymi słowy: składniki potrzebne do reakcji, które mogły pomóc fosforowi wejść do świata życia.
Naukowcy wciąż nie mają jednej odpowiedzi
Hipoteza Martina nie jest jedyną. Matt Pasek proponuje własne rozwiązanie problemu fosforanów, oparte na innych związkach fosforu, zwanych amidofosfitami. Martin ma wobec tego pomysłu zastrzeżenia, bo jego zdaniem wymaga on silnych utleniaczy, których na młodej, pozbawionej życia Ziemi mogło brakować.
Sam Pasek nie zamyka jednak dyskusji. „Powiedziałbym, że problem fosforanowy ma wiele rozwiązań. Nie wiemy, które z nich jest tym właściwym, ani czy nie istnieje coś jeszcze, czego nawet nie rozumiemy” – mówi badacz cytowany przez „Science”.
Dla Martina najważniejsze jest podobieństwo między dawną chemią a tym, co robią dzisiejsze komórki. Jeśli początki życia przebiegały zupełnie inaczej niż współczesny metabolizm, trzeba byłoby przyjąć, że metabolizm został niejako wymyślony dwa razy. Jego zdaniem to mało prawdopodobne.
Dlatego dno oceanu pozostaje jednym z najciekawszych miejsc w tej naukowej układance. Nie dlatego, że daje prostą odpowiedź. Raczej dlatego, że pokazuje, jak zwykłe skały, metale i gorąca woda mogły zrobić pierwszy krok w stronę chemii, bez której nie ma życia.