Hogyan jött létre az élet?

Valószínűleg a villámok adták az energiát ahhoz, hogy szerves molekulákból létrejöjjenek a kezdetleges élethez szükséges egyszerű építőanyagok mintegy 4 milliárd évvel ezelőtt. Kun Ádámot, az ELTE Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék oktatóját kérdeztük az élet kialakulásáról.

James Ussher anglikán érsek 1650-ben megjelent, a világ történetét bemutató kronológiájához a Bibliában leírtakat szó szerint értelmezve kiszámolta, hogy Isten a világot egészen pontosan Kr. e. 4004. október 22-én délután hat órakor, azaz 6030 évvel ezelőtt teremtette.

A Tóra, a Biblia és a Korán szerint Isten a harmadik napon teremtette a növényeket, az ötödik és hatodik napon pedig az állatokat, majd szintén a hatodik napon a két első embert, Ádámot és Évát.

A vallásos iratok ezzel tulajdonképpen az ókori zsidó nép világképét tükrözik vissza, ahogy azt – a hagyomány szerint – Mózes lejegyezte első könyvében, a Genezisben. Az ókor óta sok víz lefolyt a Dunán. Számos új ismeretet szerzett az emberiség, sok olyan bizonyítékot találtak a kutatók, amelyek más irányba mutatnak.

A Miller-Urey kísérlet

Mit mond az élet keletkezéséről a modern természettudomány? Mikor alakulhatott ki a Föld?

Az általunk ismert világ nagyjából 13,8 milliárd évvel ezelőtt keletkezett az Ősrobbanás idején. Bolygónk mintegy 4,5 milliárd évvel ezelőtt alakult ki. A Föld korának legjobb becslését egy, a bolygó ólomizotópjainak változásán alapuló modell segítségével számították ki. Ez néhány ősi ólomérc és egy különleges, ősi vasmeteorit, a mexikói Canyon Diablo vizsgálatának adataira támaszkodik.

Így a „Föld kora” azt az állapotot mutatja, amikor a Napködből először alakultak ki szilárd testek. Ez a számított érték, amely nagyjából összhangban van a meteoritok, a legrégebbi holdminták és a legrégebbi földi kőzetek korával. Mai tudásunk szerint az Acasta Gneiss a Föld legrégebbi, eredeti formájában fennmaradt kőzete, sértetlen kéregdarabja. Kanadában, az Északnyugati Területeken található egy szigeten. A gránitszerű kőzet 3,58–4,031 milliárd évvel ezelőtt alakult ki – ezt a kort cirkóniumkristályok radiometrikus kormeghatározásán alapuló számítással határozták meg.

Mikor keletkezhetett az élet?

Bolygónk 4,4 milliárd évvel ezelőtt már eléggé lehűlt ahhoz, hogy folyékony víz legyen rajta. Ez feltétlenül szükséges volt az általunk ismert élet létrejöttéhez – más bolygókon is folyékony vizet és szerves anyagot keresnek az idegen élet kutatásával foglalkozó tudósok. https://tudas.hu/116033-2/  A rendelkezésre álló ismeretek alapján a Földön az élet 4,2–3,6 milliárd évvel ezelőtt keletkezhetett. Az 1940-es évek végén Harold Urey vegyész csillagászokkal és kozmológusokkal együttműködve megpróbálta körvonalazni a Föld korai korszakában fennálló légkör összetételét.

Arra a következtetésre jutottak, hogy ez kémiailag nagyban hasonlíthatott a világegyetem kémiai felépítésére.

Korábban már kísérletekkel igazolták, hogy az akkori levegőben meglévő elemek reakciója során létrejöhettek olyan összetettebb molekulák, mint a víz, a metán, az ammónia és a kénhidrogén. 1952-ben Stanley Miller vegyész (akkor még csak 22 évesen) elhatározta, hogy kísérlettel ellenőrzi Urey elméletét, főleg azt, hogy az adott alkotóelemekből létrejöhet-e élet. Így megvizsgálta kísérletesen az ősi Föld légkörében lezajlott egyik fontos reakciócsoportot.

A több milliárd évvel ezelőtt fennálló atmoszférában feltételezhetően megtalálható anyagokból – ammóniából, metánból, hidrogénből, vízgőzből – elektromos kisüléseket alkalmazva Millernek sikerült laboratóriumban egy hét alatt az élet bizonyos alapvető építőköveit előállítania. Szerves molekulák, aminosavak jöttek létre a kísérlet során. Ezt nevezik ma Miller–Urey-kísérletnek. A Föld kialakulása és a baktériumok létrejötte között az imént említett egy héthez képest felfoghatatlanul hosszabb idő, több száz millió év telt el, azaz jóval több idő „állt rendelkezésre” a folyamatok lezajlásához.

Ma kicsit mást gondolunk a 4 milliárd évvel ezelőtti légkör tulajdonságaival kapcsolatban (sokkal kevésbé volt redukáló, azaz inkább szén-monoxid, nitrogén és hidrogén elegye lehetett), de az ezt figyelembe vevő módosításokkal elvégzett vizsgálat is hasonló eredményeket hozott. A kísérletet az azóta az elmúlt 70 évben egyre inkább közelebb hozták a valósághoz. Ahogy „fejlesztik” a kísérletet, egyre lassabban megy a folyamat, de még mindig működik. Nagyon sok mai próbálkozásnál megjelenik, hogy ez egy többfázisos reakció. A forró víz felett található egy gőzfázis, és a forrásban lévő vízbe oldódnak bele a keletkező szerves molekulák.

A kisülések a gőzfázisban történnek. A kísérlet azt modellezi, amint egykor villámok csaptak le a légkörben, ahol néha bizonyos reakciók lejátszódtak, a létrejövő anyagok pedig az esővel bemosódtak a tengerekbe vagy a tavakba.

Miller bórüvegekben kísérletezett, amely a reakciókat elősegítő, katalitikus felszínt biztosított a folyamatokhoz (ezt akkor még nem sejtették!). Valószínűleg az élet keletkezésekor is szilárd felszín kellett a folyamatok lezajlásához. Ez lehetett valamilyen ásvány, vagy kisebb pocsolyáknak az alja, esetleg a tengerek mélyén lévő hidrotermális kürtők körül levő ásványok. Az első szerves molekulák, amelyek később az életet felépítették, ilyen felületeken alakulhattak ki.

A pánspermia és az RNS-világ

Létezik egy olyan elmélet, hogy az élet máshonnan érkezett a Földre meteoritokon keresztül. Erről mit érdemes tudni?

A pánspermia elmélet szerint lehetséges, hogy az élet nem a Földön alakult ki, hanem máshol, és meteoritok szállították ide. Ugyanakkor a leginkább elfogadott elmélet szerint az általunk ismert élet a Földön keletkezett. A pánspermiához szükséges lenne, hogy valahol máshol a világegyetemben olyan körülmények legyenek, amelyek sokkal jobbak az élet kialakulásához, mint itt a Földön. Ezt nem gondoljuk. A mai kutatók emiatt azt próbálják meg megmagyarázni, hogy itt helyben hogyan keletkezhetett az élet. Nem valószínű, hogy itt olyan rossz körülmények voltak, amik elképzelhetetlenné tették volna az élet kialakulását, viszont máshol jobbak voltak a feltételek. Mindig abból a biztos tudásunkból kell kiindulni, hogy itt nálunk van élet. Tehát ha egyszer meg tudott itt ragadni és fejlődni tudott az élet, akkor miért az első lépések lennének pont azok, amik reménytelenek lennének itt? Bár a Miller-Urey kísérletben aminosavak jelenlétét mutatták ki, ami akkor nagyon fontosnak tűnt az élet keletkezése szempontjából, ma inkább az ribonukleinsav (RNS) alkotórészeinek az élet létrejöttét megelőző kémiai szintézisét kutatják.

A Miller-Urey kísérlethez hasonlóan egyszerű molekulákból indulnak ki, amelyekből a cél az RNS láncot felépítő alapegységek (monomerek) szintézise. Nem csak a szorosabb értelemben vett alapegységet, hanem az úgynevezett aktivált alapegységhez vezető utat keresik. Az aktiváció azt jelenti, hogy a molekulában van elég energia, ami felhasználható az RNS lánc kialakításához, mivel a nukleinsavak (az RNS és a DNS) felépítése energiaigényes folyamat. Az RNS-láncok lehettek az RNS-világ alapjai.

Az élet kialakulásának kezdetén tehát valószínűleg egy úgynevezett RNS-világ létezett. Ennek mi a lényege?

Ma az élet kialakulásával foglalkozó kutatók többsége úgy gondolja, hogy valamikor volt egy olyan szakasz az élet kezdetén, amikor RNS-molekulák voltak az információhordozók is, és a kémiai folyamatokban is RNS-ek segédkeztek. Ezt a két funkciót jelenleg a DNS és a fehérjék „végzik” az összes ismert élőlényben. Az RNS egy több különböző típusú elemből álló molekula, egy ribonukleinsav.

Olyan, mint a DNS-ünk, a dezoxiribonukleinsav. Mind az RNS, mind a DNS alkalmas információ tárolására, és ugyanúgy négyfajta bázis, „betű” van benne. Az RNS-ben az adenin, a guanin, a citozin és az uracil (A, G, C és U) alkotják a kód „betűit”. Az információ másolása a bázisok párosodásának segítségével folyik.

Az RNS és a DNS között nagyon kicsi eltérés van, csupán a cukor (ribóz) egyik oldalcsoportjában különböznek. Ugyanakkor a DNS egy stabilabb molekula, mint az RNS. Az ezzel foglalkozó kutatók szerint az RNS előbb létezett, mert a DNS építőkövek létrejöttéhez már fehérje enzimek szükségesek, amelyek nem álltak rendelkezésre a földi élet korai fázisában. Az RNS-világ idején azokat a funkciókat, amiket ma fehérjék végeznek, mind RNS-molekulák végezhették; ezen kívül az információt is RNS-tárolta. A fehérjék kialakulása egy későbbi evolúciós lépés lehetett, ahogy a DNS-re való áttérés is majd egy későbbi evolúciós lépés lesz.

Mik lehettek a legelső lépések az élet irányába?

Az RNS-ek önmagukban összetett és csodálatos molekulák, de nem élnek. Az élet felé vezető úton funkciót kell „szerezniük” (nyelvünk nehezen mentesíthető az akaratlagosságot kifejező igéktől, de nem gondoljuk, hogy az RNS molekulák szerettek volna bármilyen funkciót, vagy bármit). Ez a funkció pedig az információtárolás és az enzimként való működés lehetősége. Információ attól lesz egy molekulából, hogy másolható. Azaz bizonyos folyamatok eredményeképpen létrejön egy vele megegyező másolat. Ez a folyamat bár végbemehet ásványi felszíneken, enzimek nélkül is, de RNS enzim jelenlétében sokkal hatékonyabban működik. És ha van olyan RNS molekula, ami képes a másolást segíteni, katalizálni, akkor egy kulcsfontosságú enzimfunkciót is kipipálhatunk. Egy ilyen rendszer ugyanis képes önmagát másolni. És megteremti az alapot a természetes szelekció általi alkalmazkodásnak. A többi meg már történelem…

A ma élő összes földi élőlénynek közös őse volt?

Mára már rengeteg élő szervezet teljes genetikai állományát meghatározták. Ezen tengernyi információ elemzése alapján az összes jelenleg élő szervezetnek egyetlen közös őse lehetett – ezt nevezik LUCA-nak, a Last Universal Common Ancestor (az Utolsó Egyetemes Közös Ős) rövidítéseként. Ez az ősi, baktériumszerű szervezet a becslések szerint mintegy 4,2 milliárd évvel ezelőtt élhetett. A közös származás bizonyítéka, hogy az összes jelenlegi élő szervezetben ugyanazon biokémiai folyamatok zajlanak: például az örökítőanyagról, a DNS-ről RNS-ek segítségével képződnek a fehérjék. Erről az időszakról, tehát az élet felé vezető átmenetről, az első sejtekről nem állnak rendelkezésünkre fosszíliák. Meg kell jegyezzem, hogy a vírusokat a biológusok nem tekintik élő szervezeteknek; valahol az élő és az élettelen anyag között találhatóak. Eredetük bizonytalan; több elmélet is létezik származásuk magyarázására. Egyes biológusok szerint leegyszerűsödött parazita baktériumok, mások szerint a sejtek citoplazmájában található, örökítőanyagból álló plazmidok voltak a vírusok ősei; van olyan vélemény is, hogy a sejtes élettel párhuzamosan alakultak ki.

Az első életnyomok

Mik a legrégebbi konkrét, életre utaló fosszíliák?

A legkorábbi, de egyes kutatók által vitatott fizikai bizonyítékok az életre vonatkozóan a kanadai Québec tartomány északi részén található Nuvvuagittuq zöldkő-övezet mikrobiális kőzeteiben találhatóak, amelyek legalább 3,77 évvel ezelőtt keletkeztek; legvalószínűbb koruk 4,32 milliárd év. Az itteni nyomok az óceánok 4,4 milliárd évvel ezelőtti kialakulása után nem sokkal élt mikroorganizmusokra utalnak. Ezek hidrotermális kürtőknél, azaz olyan helyszíneken élhettek, ahol a tenger fenekén forró vulkáni anyag jut a vízbe. A mikrobák hasonlítanak a modern hidrotermális kürtők baktériumaira. Eszerint az elmélet szerint ma extrémnek számító körülmények között jött létre az élet. Későbbi kutatások ugyanakkor vitatták az adatok ezen értelmezését.

Nuvvuagittuq-ban úgynevezett sávos vasformációt találtak a kutatók, amit egyesek azzal magyaráznak, hogy az élet korai szakaszában az oxigénmentes környezetben zajló bakteriális aktivitás következtében vaslerakódások csapódhattak ki. Ezek a vasformációk az élet egyik legrégebbi nyomai lehetnek, ami arra utal, hogy a kőzet kialakulásának idején biológiai aktivitás lehetett jelen. Az első egyértelműen sejteket mutató fosszília mintegy 3,45 milliárd éves, és úgynevezett sztromatolitokból származik, amelyek cianobaktériumok, azaz fotoszintetizáló kékbaktériumok által létrehozott üledékszerkezetek. A ma is létező sztromatolitok létrejöttekor egy bakteriális film megköti az üledékszemcséket.

Hogyan lehet elképzelni az átmenetet az élet felé?

Alexander Oparin 1924-ben, majd J. B. S. Haldane 1929-ben javasolta az ősleves elméletet az élet keletkezésére. Innen indul ki a mai elképzelésünk az ősi Földön lezajlott folyamatokkal kapcsolatban.

Eszerint az élet megjelenése előtt valószínűleg villámlások hatására szerves molekulák képződhettek az őslégkörben, amelyek az ősóceánba, az őslevesbe oldódva tovább alakultak.

A szerves molekulák egy része – hosszabb folyamat eredményeként – enzimként kezdett viselkedni: felgyorsították más molekulák kémiai reakcióit. A fokozatosan kialakuló RNS-enzimek ásványi felszíneken másolódhattak. Az őslevesben foszfolipidek is kialakultak, amely molekulák egyik vége „vonzódik” a vízhez, másik végét viszont taszítják a vízmolekulák. Emiatt spontán létrejönnek belőlük az alábbi képen látható szerkezetek: liposzómák, micellák, kétrétegű membránok. Az ásványi felszíneken levő enzimek a membránokkal határolt pici terek belsejébe kerültek be, majd ott együtt másolódtak. A membránok megfelelnek a sejthártyának. Ezt úgy lehet könnyen elképzelni, mint ahogy a húsleves felszínén a zsír kerek foltokba rendeződik és különválik a levestől. Ezek a zsírfoltok felelnek meg a kezdetleges sejteknek. Könnyen osztódásra is lehet bírni egy ilyen zsírfoltot, ha az ember a kanállal a közepén kettévágja. Az „őslevesben” is így történhetett: a membránok alkotta burkok is szétváltak, tehát kettéosztódtak. Amint ezen sejtek képesek osztódni, a bennük levő enzimek másolódnak és katalizálják a sejt felépítését, onnantól már élő sejtekről beszélhetünk. Így alakulhatott ki az élet.

Lehet-e úgy bizonyítani a fentieket, hogy laboratóriumban is „utána csinálják” a biokémikusok?

Az emberiséget régóta foglalkoztatja a kérdés, hogy lehetséges-e mesterségesen életet létrehozni.

A téma az irodalomban is megjelenik: Mary Shelley 1818-ban megjelent művében például Frankenstein egy emberre hasonlító, de annál erősebb lényt hoz létre. Az evolúciós elmélet jelenlegi kritikusainak visszatérő érve, hogy a fősodorhoz tartozó biológusoknak egyelőre nem sikerült mesterségesen reprodukálni az általuk leírt, az élethez vezető folyamatokat.

Etikai okok miatt lehet, hogy a mostani élethez hasonló életet nem kellene készíteni, mert kiszabadulhatnak a természetbe az így létrehozott élőlények. Ezt a kiszabadulást amúgy nem tartom valószínűnek, de jobb óvatosnak lenni. Az élethez vezető utat attól még lehet tanulmányozni, sőt a lépéseit megvalósítani. Részeredményeket már sikerült elérni az élethez vezető út megismerésében. A téma kutatói jelenleg is azon dolgoznak, hogy „újonnan” (latin szóval „de novo”), laboratóriumban hozzanak létre életet.