„Oraşul Pierdut” – locul unde am putea găsi cheia apariţiei vieţii

Pentru a elabora un scenariu convingător, cercetătorii au trebuit să se concentreze asupra unor aspecte esenţiale ale fenomenului ivirii vieţii pe Pământ. Unul dintre aceste aspecte este energia; fără ea, nimic nu poate fi. Materia vie consumă cantităţi imense de energie pentru a rămâne vie şi pentru a se reproduce. De fiecare dată când o bacterie se divide, foloseşte o cantitate de energie echivalentă cu de 50 de ori propriul conţinut de ATP (adenozin-trifosfat), molecula care pe care se bazează energetica celulei vii. Rezervele de ATP se consumă şi se reînnoiesc permanent, graţie unor procese metabolice extraordinar de complexe. Şi bacteria consumă atât de puţin (da, e puţin) doar pentru că are un aparat metabolic foarte eficient şi specializat, perfecţionat prin evoluţie.

La începuturile vieţii, probabil că acest mecanism era mult mai puţin eficient decât azi, deci procesele vitale aveau loc cu cheltuială de energie mult mai mare. Cum putea fi obţinută această energie?

• 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

Premisa de la care porneşte noua teorie este aceea că viaţa, pentru a apărea, ar fi avut nevoie de un aport controlat de energie, într-un mediu cu anumite  condiţii riguroase. 

O analiză comparativă a genoamelor vieţuitoarelor de pe diferite ramuri ale arborelui filogenetic i-a dus pe cercetători la concluzia că la baza vieţii ar sta bacteriile şi archeele, organisme unicelulare, procariote (lipsite de un nucleu care să conţină materialul genetic). Ele sunt considerate cele mai primitive fiinţe care există azi; prin urmare, studiul lor sub aspect energetic ar putea duce la descifrarea câtorva aspecte ale începutului vieţii celulare pe Terra.

Aceste microoganisme îşi încarcă „bateriile” electrochimice din celulă transformând carbonul în metan sau într-un compus organic numit acetat. Dar unde şi cum ar fi putut apărea asemenea vieţuitoare, cu un asemenea „comportament energetic”? Cum s-a făcut „marea trecere” de la moleculele organice risipite în supa primordială la fiinţele cu organizare celulară simplă, în stare să folosească energia reacţiilor chimice într-un mod specific, pentru a se auto-perpetua?

„Oraşul Pierdut” din adâncul mării

În anul 2000, o echipă de exploratori a descoperit pe fundul Oceanului Atlantic o mulţime de izvoare hidrotermale submarine, de un tip nou, deosebit de ceea ce se cunoştea anterior.

Aceste nou-descoperite formaţiuni, adunate într-un vast ansamblu botezat de savanţi Lost City (Oraşul Pierdut) se găsesc în nordul Atlanticului, în zona Masivului Atlantis, o regiune de munţi submarini care se ridică până la peste 4.000 de metri deasupra fundului mării. Aici, apa caldă, puternic alcalină, ţâşneşte prin  fisurile scoarţei terestre, amestecându-se cu apa sărată a oceanului. În timp, în jurul acestor deschideri s-au depus săruri ce formează un fel de „hornuri” prin care iese apa, iar unele dintre aceste hornuri au peste 30 metri înălţime. Zona cuprinde zeci de astfel de izvoare,  care se deosebesc radical de izvoarele vulcanice submarine mai fierbinţi şi acide cunoscute anterior – aşa-numitele black smokers, descoperite  în anii 1970.

 În izvoarele din Oraşul Pierdut, reacţiile dintre apa oceanică şi anumite roci din stratul superior al mantalei terestre produc cantităţi mari de metan şi hidrogen; în schimb, nu produc volume semnficative de dioxid de carbon, hidrogen sulfurat sau metale, aşa cum fac izvoarele submarine black smokers. Temperatura apei este de asemenea diferită de a celei dintr-un black smoker, iar pH-ul (o măsură  a acidităţii/alcalinităţii), diferă şi el foarte mult. Sunt două ecosisteme foarte deosebite între ele, populate de comunităţi diferite de forme de viaţă.  

În Oraşul Pierdut, pe lângă o faună interesantă de mici nevertebrate (specii caracteristice de melci, scoici, polichete – un grup de viermi marini – şi crustacee), trăieşte o varietate de microorganisme, printre care archee şi bacterii foarte specifice, cu un metabolism aparte. Unele dintre aceste microorganisme folosesc metanul şi hidrogenul ca surse de energie, iar această biochimie aparte face din Oraşul Pierdut un fel de laborator natural în care biologii, geologii şi chimiştii pot studia atât procese geochimice, cât şi fenomene specifice materiei vii, iar undeva la mijloc, lucrurile se întâlnesc şi se întrepătrund: materia neînsufleţită şi cea vie ar putea avea în comun mai multe lucruri decât credeam.

Cum au învăţat celulele să folosească energia?

Doi cercetători care le-au studiat, Nick Lane, de la University College London, şi William Martin, de la Universitatea Heinrich Heine  din Düsseldorf, Germania, au ajuns la concluzia că în acest mediu ar putea fi găsite informaţii despre modul în care materia vie stochează energia.

Celulele fac rezerve de energie pompând ioni (cu ajutorul unor proteine-enzime), de obicei ioni de hidrogen sau sodiu, prin membrana celulară, creând astfel, de o parte şi de alta a ei, o diferenţă de potenţial electrochimic, pe seama căreia apare o tensiune electrică. Este o însuşire uimitoare a vieţii, răspândită în toată lumea vie, dar a cărei omniprezenţă nu putuse fi niciodată explicată mulţumitor. Acum însă, cercetătorii cred că ea îşi are originea într-un mediu similar cu cel al izvoarelor hidrotermale submarine din Oraşul Pierdut.

Acum aproape 4 miliarde de ani, într-un astfel de izvor, lichidul alcalin cald, bogat în hidrogen, care ieşea prin gura izvorului, întâlnea apa acidă a oceanului, saturată cu dioxid de carbon. Din asemenea reacţii chimice ar fi putut lua naştere nişte aşa-numiţi gradienţi protonici (sau gradienţi electrochimici; simplificând, aceştia ar reprezenta variaţia potenţialului electrochimic) pe suprafata rocilor din pereţii izvorului, bogaţi în fier, nichel şi sulf, ceea ce ducea la apariţia unei tensiuni electrice. În esenţă, fenomenul este foarte asemănător cu ceea ce se poate observa la nivelul membranei celulare a microoganismelor chemo-osmotice din ziua de azi.  

Iar acest lucru, cred autorii studiului, având în vedere universalitatea gradientului electrochimic în lumea vie, nu este o coincidenţă. 

Microorganismele actuale care trăiesc în aceste izvoare hidrotermale folosesc gradienţii electrochimici pentru a adăuga electroni unei proteine numite feredoxină, care, la rândul ei, transformă dioxidul de carbon în molecule organice necesare dezvoltării celulei. 

Rocile prezente în jurul acestor izvoare sunt pline de micropori interconectaţi; în ei s-ar fi putut acumula materia organică astfel formată, iar anumiţi compuşi din structura rocii ar fi accelerat chiar aceste transformări, acţionând ca nişte catalizatori.

Cum au apărut însă formele de viaţă – oricât de simple -, capabile să trăiască liber pe seama acestui mecanism? Decenii la rând, oamenii de ştiinţă nu au putut să umple, cu o explicaţie convingătoare, acest „gol” – prăpastia imensă care separă materia organică ne-vie – oricât de complexă – de materia vie, oricît de simplă ca organizare. Între ele părea să existe un abis, o distanţă de netrecut. 

Nick Lane şi William Martin au însă o ipoteză ingenioasă. Ei cred că materia vie „a învăţat” de la cea inertă cum să gestioneze complicata problemă a energiei.

Cercetatorii cred că un gradient protonic geochimic ar fi putut întreţine independent existenţa unei pompe de ioni de sodiu (care este o proteină, cum am spus deja), permiţând astfel membranei unei protocelule să scoată afară din celulă sodiul şi dând astfel naştere unui alt mecanism de stocare a energiei, care a devenit mai eficient pe măsură ce membranele celulare deveneau mai structurate, izolând mai eficient celula de mediul din jur. Această idee ar explica de ce multe proteine primitive implicate în mecanismele energetice celulare folosesc la fel de bine ioni de sodiu sau hidrogen şi de ce toate celulele vii – inclusiv ale organismelor marine – au în celule o concentraţie de sodiu mai mică decât cea din apa mării. 

În concluzie, reacţiile chimice producătoare de energie care aveau loc, iniţial, doar în materia inertă din izvoarele hidrotermale alcaline de pe fundul mării au fost efectiv copiate de materia vie, apoi modelate şi perfecţionate de-a lungul evoluţiei, ceea ce explică similarităţile chimice frapante ale acestor procese în materia inertă şi în cea vie. Şi astfel, peste prăpastia ce părea de netrecut a fost întinsă o punte – deocamdată încă firavă, urmând să fie, poate, consolidată prin cercetări viitoare -, prin care teoria evoluţiei chimice a materiei vii, adică apariţia vieţii din materia organica lipsite de viaţă, devine mai plauzibilă şi mai uşor de înţeles.