Originea vieţii: de la chimie la informatica viului

De peste un secol, oamenii de ştiinţă se străduiesc să reconstituie modul în care a apărut viaţa pe planeta noastră. Teoriile evoluţioniste asupra originii vieţii au la bază convingerea că, în vremurile dintâi ale apariţiei materiei vii – acum 3,8 miliarde de ani – existau pe Terra condiţii de mediu (temperatură, compoziţie chimică, radiaţii) care ar fi putut permite unor substanţe simple să reacţioneze unele cu altele, formând substanţe organice complexe (aşa-numitele „cărămizi ale vieţii”) şi care ar fi permis apoi acestor substanţe complexe să se asambleze în structuri dotate cu proprietăţi şi comportamente noi – particularităţile materiei vii.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Teoriile evoluţioniste asupra originii vieţii au apărut la începutul secolului XX, fiind promovate independent de doi cercetători, unul rus – Alexandr Oparin, altul britanic – J. B. S. Haldane. Viaţa este produsul unei evoluţii chimice, aşa s-ar putea exprima esenţa acestor teorii. 

• Până acum, cercetările s-au concentrat asupra chimiei vieţii, aşadar.  La jumătatea secolului trecut, un experiment epocal – cuvântul nu e exagerat – a testat şi confirmat faptul că, în anumite condiţii (se presupunea că erau condiţiile care existaseră pe Terra în perioada apariţiei vieţii) din substanţe simple se puteau forma substanţe organice complexe, de tipul celor care se găsesc în materia vie. Experimentul a rămas în istoria ştiinţelor drept experimentul Urey-Miller, după numele autorilor – Stanley Miller şi profesorul său Harold Urey, de la Universitatea din Chicago. În 1952, ei au realizat acest celebru experiment chimic, supunând un amestec de gaze (vapori de apă, metan, hidrogen, amoniac) unor descărcări electrice. Analizând produsele rezultate, au identificat mai mulţi aminoacizi – substanţe ce conţin azot şi  care constituie unităţile de bază ale proteinelor (proteinele sunt nişte lanţuri de aminoacizi, cu forme complexe). Rezultatele experimentului au fost publicate în 1953 şi au stârnit o furtună de reacţii, entuziaste sau ostile. În acelaşi an 1953, James Watson, Francis Crick şi Maurice Wilkins au descifrat structura ADN-ului – celebrul „dublu helix” – inaugurând astfel o eră nouă în cercetare, deschizând un nou câmp de studii – biologia moleculară – şi dând un spor de avânt discuţiilor despre originea vieţii. 

De-a lungul anilor care au urmat, alte experimente şi noi teorii au pus în discuţie rezultatele lui Miller, au promovat noi concepţii, au oferit explicaţii alternative. 

Dar un lucru a rămas constant şi comun tuturor acestor abordări: toate s-au aplecat asupra aspectului chimic al vieţii, asupra substanţelor şi reacţiilor chimice implicate. Fie că se discuta despre sursa de energie necesară reacţiilor chimice din cadrul metabolismului, fie că se polemiza în jurul întrebării  „Ce a apărut mai întâi – acizii nucleici sau metabolismul?”, un lucru rămânea la fel: unghiul „chimic” din care era privită chestiunea.

Aşa merg lucrurile de decenii. Oare n-ar fi timpul pentru o schimbare de paradigmă? Se pare că da. Şi schimbarea vine din partea a doi specialişti de la Arizona State University (ASU)  – Paul Davies, fizician, şi Sara Walker, astrobiolog, care şi-au publicat recent teoria în jurnalul Interface.

În esenţă, ei mută interesul de la partea de „hardware” – fundamentul chimic al vieţii – la cea de „software”: informaţia conţinută în materia vie. Dacă ne imaginăm materia vie ca pe un computer, atunci chimia explică natura materială a maşinăriei respective, dar aceasta nu funcţionează decât dacă există date şi programe – cu alte cuvinte, informaţie.

În lucrarea lor, Davies şi Walker sugerează că deosebirea esenţială dintre sistemele vii şi cele non-vii este dată de modul în care organismele vii controlează fluxul de informaţie prin sistem.

„Când descriem procese biologice, folosim termeni din domeniul informaticii: celulele trimit semnale, rulează programe de dezvoltare, sunt citite instrucţiuni codificate, datele genetice sunt transmise de la o generaţie la alta. Aşadar, căutând originea vieţii în modul în care informaţia este procesată şi gestionată, putem deschide noi căi pentru cercetare”, spune Sara Walker.

Cu aceasta, ajungem la Marea Problemă, cea a definiţiei: ce anume înseamnă „viu”, ce înseamnă materie vie? Cum trebuie să fie un sistem pentru a putea fi definit drept viu?

Lipsa unei definţii clare a ceea ce înseamnă „viu” este un mare impediment, consideră astrobiologul Sara Walker. Şi explică: „De obicei, modul în care identificăm materia vie pe Pământ este prin prezenţa ADN-ului într-un organism.  Nu avem un mod  matematic riguros de a o identifica”. Iar folosirea acestei „definiţii chimice” a vieţii – prezenţa ADN-ului – ne poate duce la limitări şi chiar erori mari; de exemplu, ne limitează criteriile pentru căutarea vieţii extraterestre sau ne poate face să includem, în mod greşit, în categoria „viu” ceva care nu este realmente un organism viu, cum ar fi un vas de laborator în care se găsesc fragmente de ADN care se replică.

Deci, avem nevoie de o nouă definiţie, de noi criterii pentru identificarea viului.

„Noi sugerăm că tranziţia de la non-viaţă la viaţă este unică şi definibilă”, spune Paul Davies. Sugerăm că viaţa este caracterizată prin utilizarea activă, într-un mod distinct, a informaţiei, furnizând astfel un ghid pentru identificarea unor condiţii riguroase pentru apariţia vieţii. E un contrast marcat faţă de gândirea care a prevalat timp de un secol, în care tranziţia la materia vie a fost privită ca o problemă de chimie, cu scopul de a identifica un model plauzibil al reacţiilor care au dus de la un amestec de substanţe chimice la o entitate vie.”

În ce mod ar putea fi utilă o astfel de abordare? După părerea celor doi specialişti, concentrarea asupra dezvoltării informaţionale a materiei ar ajuta la depăşirea unor obstacole inerente încercării de a identifica originile vieţii din punctul de vedere al chimiei.

Explicaţiile bazate pe chimie care încearcă să descrie evoluţia complexităţii chimice a materiei se opresc la un stadiu foarte timpuriu al acestei evoluţii, aflat departe de orice sistem pe care l-am putea considera viu. În plus, după părerea lui Walker şi Davies, aceste teorii chimice suferă de lacune conceptuale, în sensul că nu fac o distincţie suficient de clară între chimic şi biologic.

Pentru un fizician sau chimist, viul pare ceva „magic”, explică prof. Davies. Materia vie se comportă în moduri extraordinare, care nu îşi au corespondent în niciun alt sistem fizic sau chimic, oricât de complex. Printre proprietăţile specifice materiei vii se numără autonomia, adaptabilitatea şi comportamentul orientat spre scop, adică acea capacitate de a pune reacţiile chimice în slujba unor obiective prestabilite, în loc de a fi „sclava” acelor reacţii.

Şi bineînţeles, trebuie menţionată acea extraordinară, uluitoare însuşire a materiei vii, care constă în perpetuarea ei, reproducerea prin mijloace proprii, auto-replicarea, dar după un model propriu, cu totul aparte. 

Punând accentul pe arhitectura informaţională a reţelelor chimice, această abordare arată că organizarea logică a sistemelor biologice auto-replicante se deosebeşte de procesele de replicare obişnuite întâlnite, de pildă, la formarea cristalelor (materie non-vie). Luând în considerare în mod direct rolul cauzal al informaţiei, multe dintre însuşirile uimitoare ale materiei vii pot fi explicate.

Un model matematic simplu, creat de autori, surprinde această tranziţie de la non-viu la viu. 

După opinia celor doi specialişti, sistemele vii sunt caracterizate de o proprietate unică: un flux bidirecţional de informaţie, de sus în jos şi de jos în sus, „sus” şi „jos” însemnând, respectiv, nivelurile mai complexe şi cele cu complexitate mai scăzută.

De pildă, de jos în sus ar însemna de la molecule la celule şi apoi la întregul organism.

Iată un exemplu simplu: când o persoană atinge o sobă fierbinte, receptorii specializaţi din mâna sa simt căldura (prin mecanisme moleculare), transmit informaţia la creier, iar creierul transmite muşchilor să mişte mâna (tot prin mecanisme moleculare); de aici, reacţia rapidă de retragere a mâinii din apropierea obiectului fierbinte.

Această circulaţie a informaţiei în două sensuri este prezentă la toate formele de viaţă, mici şi mari, simple sau complexe, de la bacterii până la balene.

În schimb, dacă punem pe sobă un bucată de pâine, s-ar putea să se ardă, dar nu va „face” nimic, nu va răspunde printr-o acţiune.

O altă caracteristică a organismelor vii este faptul că au sisteme şi localizări diferite pentru păstrarea şi pentru citirea informaţiei. De exemplu , succesiunea „literelor” din ADN (secvenţa de baze azotate) cuprinde instrucţiunile pentru procesele vitale, dar nu ADN-ul însuşi, ci o altă componentă a celulei (ribozomii), trebuie să „traducă” aceste instrucţiuni şi să le transforme în acţiuni, în procese, în interiorul celulei.

Modelul propus de Davies şi Walker stabileşte, aşadar, în ce mod ar trebui să se comporte un sistem, în ceea ce priveşte circulaţia informaţiei, pentru a putea fi considerat viu.

Această nouă abordare este încă la începuturile ei, dar are potenţialul de a transforma modul în care oamenii de ştiinţă gândesc apariţia vieţii pe Pământ, evoluţia ei, precum şi problema vieţii pe alte planete.

Cei doi specialişti de la ASU se aşteaptă ca, reconfigurând cadrul conceptual în acest mod radical, să poată explica nu numai originea vieţii, ci şi alte tranziţii majore, de exemplu tulburătoarea problemă a trecerii de la organismele unicelulare la cele  pluricelulare. Şi tot această nouă abordare ar duce şi la o restructurare a gândirii oamenilor de ştiinţă aflaţi în căutarea vieţii extraterestre. Până acum, ei au căutat pe alte corpuri cereşti forme de viaţă identice cu cele de pe Terra, formate din aceleaşi molecule de bază, din aceleaşi „cărămizi ale vieţii”. Noul cadru de gândire permite lărgirea concepţiei: poate că, în alte părţi ale Universului, alte molecule stau la baza a ceea ce poate fi definit drept viaţă.

Autorii numesc modelul lor „un manifest” şi „o chemare la arme”, pentru a reorienta şi redefini problema şi pentru a o privi într-un mod diferit de cel în care a fost privită până acum. Viaţa e mult mai mult decât o problemă de chimie, iar a aborda acest mare mister dintr-un nou unghi poate însemna reîmprospătarea unor idei învechite şi un pas înainte în înţelegerea fenomenului vieţii în uriaşa lui complexitate.

„În încercarea de a explica în cel fel a apărut viaţa, oamenii s-au cramponat de o problemă de chimie, de parcă geneza vieţii ar fi ca prepararea unei prăjituri; avem un set de ingrediente şi nişte instrucţiuni pe care trebuie să le urmăm”, spune prof. Paul Davies. ”O asemenea abordare, însă, nu reuşeşte să capteze esenţa a ceea ce înseamnă viaţă.”

Poate că, reconsiderând lucrurile, privindu-le prin prisma informaţiei şi nu a chimiei, vom putea, în deceniile următoare, să ne apropiem cu câţiva paşi de înţelegerea celui mai tulburător dintre Marile Mistere ale lumii.

Surse: Live Science, Science Daily