Lane N. - Najwieksze wynalazki ewolucji.pdf

NAJWIĘKSZE WYNALAZKI EWOLUCJI NICK LANE 1

SPIS TREŚCI Wprowadzenie Dziesięć największych wynalazków ewolucji 1 Początki życia 2 DNA 3 Fotosynteza 4 Komórka eukariotyczna 5 Rozmnażanie płciowe 6 Ruch 7 Wzrok 8 Stałocieplność 9 Świadomość 10 Śmierć Epilog Uwagi Źródła ilustracji Podziękowania Bibliografia Indeks 3

WPROWADZENIE DZIESIĘĆ NAJWIĘKSZYCH WYNALAZKÓW EWOLUCJI Zielono-niebieska kula ziemska na tle obezwładniającej czerni przestrzeni kosmicznej urzeka swoim pięknem. Zaledwie dwa tuziny ludzi miało okazję ujrzeć naszą planetę z Księżyca lub też z wokółksiężycowej orbity; jednak kruche piękno uchwycone na wykonanych przez nich zdjęciach na zawsze wryło się w pamięć całego pokolenia. Nic nie może z nim się równać. Małostkowe ludzkie spory o granice, ropę naftową czy wyznawane wartości stają się nieistotne wobec prostego spostrzeżenia, że ta ożywiona kulka otoczona nieskończoną pustką to nasz wspólny dom; dom, który zawdzięczamy inwencji życia i dzielimy z jego najwspanialszymi formami. To życie przemieniło naszą planetę ze znękanego i gorejącego kawałka skały krążącego wokół młodej gwiazdy w źródło inspiracji, któremu możemy przyglądać się z kosmosu. To życie pomalowało nasz świat na niebiesko i zielono dzięki niewielkim fotosyntetyzującym bakteriom, które oczyściły niebo i ziemię i wypełniły je tlenem. Korzystając z tego nowego i potężnego źródła energii, życie po prostu wybuchło. Kwiaty kwitną zapraszająco, złożone ciała koralowców skrywają ławice złotych rybek, w czarnych morskich głębinach czają się fantastyczne stworzenia, drzewa zwracają się ku niebu, zwierzęta hałasują, rozglądają się i człapią. A w środku tego wszystkiego jesteśmy my, zafascynowani niewysłowioną tajemnicą stworzenia, kosmiczne zbiory molekuł, czujące, myślące, dziwiące się, a wreszcie dociekające, skąd właściwie tu się wzięliśmy. Po raz pierwszy w historii naszej planety wiemy. Może nie wszystko i nie ostatecznie, jednak największe z dotychczasowych ludzkich przedsięwzięć - próba poznania i zrozumienia nas samych i otaczającego nas ożywionego świata - wreszcie daje owoce. Pierwszy szkic otrzymaliśmy 150 lat temu, gdy Karol Darwin opublikował O powstawaniu gatunków. Od tamtych czasów odnalezienie nowych skamieniałości przyczyniło się do uzupełnienia luk w naszej wiedzy, a poznanie szczegółowej budowy genów umożliwiło rozpoznanie dowolnego ze ściegów bogatego gobelinu życia. Niedawno zaś, bo zaledwie w ostatnich dziesięcioleciach, przeszliśmy od teorii i abs- trakcyjnej wiedzy do tworzenia intensywnego i szczegółowego obrazu życia; jego opis, sporządzony w językach, które dopiero zaczynamy tłumaczyć, jest kluczem do zrozumienia otaczającej nas rzeczywistości i nawet najbardziej odległej przeszłości. Historia, której jesteśmy świadkami jest bardziej dramatyczna, wciągająca i złożona niż którykolwiek z mitów o stworzeniu świata. Podobnie jednak jak one opowiada o przeobrażeniach, gwałtownych i widowiskowych zmianach, erupcjach innowacyjności przemodelowujących naszą planetę i nadpisujących skutki poprzednich rewolucji nowymi warstwami złożoności. Zniewalające piękno Ziemi oglądanej z kosmosu przeczy jej historii, pełnej waśni, zmian i pomysłowości. Na ironię zakrawa, iż nasze spory są echem burzliwej przeszłości naszej planety i że my sami, rabusie jej zasobów, możemy wznieść się ponad nią, by zobaczyć, jak jest piękna. 5

Dużą część tego planetarnego zamieszania spowodowało kilka ewolucyjnych innowacji; wynalazków, które zmieniły świat, a w końcu umożliwiły pojawienie się nas samych. Tu muszę wyjaśnić, co rozumiem pod pojęciem wynalazku, albowiem używam tego terminu bez chęci zasugerowania istnienia jakiegokolwiek wynalazcy. Słownikowa definicja wynalazku brzmi: nowe rozwiązanie o charakterze technicznym, środek lub metoda produkcji, wcześniej nieistniejąca. Ewolucja nie przewiduje, nie planuje z wyprzedzeniem. Nie ma żadnego wynalazcy, żadnego inteligentnego projektu. Niemniej dobór naturalny testuje każdą nową cechę i przystosowanie; zawsze wygrywa najlepsze z nich. Przyroda to wielkie naturalne laboratorium, przy którym nasz ludzki teatr wydaje się maleńki; w laboratorium tym testowane są naraz miliardy niewielkich różnic, pokolenie po pokoleniu. Otaczają nas ślady projektu - produktów procesów „ślepych", lecz ocierających się o genialność. Ewolucjoniści często używają nieformalnie słowa „wynalazek" i nie ma chyba lepszego określenia oddającego niezwykłą kreatywność przyrody. Ustalenie, jak to wszystko się zaczęło, to wspólny cel naukowców, bez względu na wyznawaną przez nich religię, a także wszystkich, których zastanawia, skąd się wzięliśmy. Niniejsza książka dotyczy najważniejszych wynalazków ewolucji, opowiada, jak każdy z nich wpłynął na świat ożywiony oraz jak ludzie nauczyli się odczytywać zapis przeszłości, wykazując się pomysłowością godną przyrody. To hołd złożony niezwykłej inwencji natury i nas samych; długi zapis historii naszego pojawiania się tutaj, rejestr kamieni milowych z podróży rozpoczynającej się u zarania wszelkiego życia, a kończącej na naszym życiu i śmierci. To również książka traktująca wszystkie te tematy bardzo szeroko. Powinniśmy bowiem objąć wszystkie postacie życia, od jego wczesnych początków w głębinowych kominach hydrotermalnych do ludzkiej świadomości; od najdrobniejszych bakterii do największych dinozaurów. Powinniśmy ogarniać różne dziedziny naukowe, od geologii i chemii do neuro-obrazowania; od mechaniki kwantowej do planetologii. I powinniśmy też potrafić dostrzec pełne spektrum ludzkich osiągnięć: od odkryć najsłynniejszych naukowców aż po pracę tych wciąż jeszcze mało znanych, ale mogących któregoś dnia przejść do historii. Mój przegląd wynalazków ewolucji z pewnością jest subiektywny; dosyć łatwo można by pewnie ułożyć inną listę. Zastosowałem jednak klucz - wyodrębniłem cztery ważne kryteria - który umożliwił mi ograniczenie końcowego wyboru do kilku najważniejszych założeń. Na początek przyjąłem, że dany wynalazek zrewolucjonizował świat ożywiony i wpłynął na losy samej planety. Wspominałem już o fotosyntezie, która przeobraziła i natleniła Ziemię (bez tlenu zwierzęta nigdy by się nie pojawiły). Inne przykłady są może mniej oczywiste, choć równie ważne i wszechobecne. Dwa kolejne wynalazki to zdolność do poruszania się, umożliwiająca zwierzętom chociażby poszukiwanie pożywienia, a także wzrok - który doprowadził do kompletnego przeobrażenia cech fizycznych i zachowania właściwie wszystkich żywych stworzeń. Niewykluczone, że to właśnie szybka ewolucja oczu - około 540 milionów lat temu - doprowadziła do pojawienia się śladów licznych nowych gatunków w zapisie kopalnym w okresie nazywanym z 6

tej racji eksplozją kambryjską. Konsekwencje każdego z tych wynalazków omawiam we wprowadzeniach do poszczególnych rozdziałów. Moje drugie kryterium dotyczyło skutków ewolucyjnego wynalazku z dawnych czasów, które powinny mieć olbrzymie znaczenie także dzisiaj. Najlepszymi przykładami są rozmnażanie płciowe i śmierć. Seks opisywany jest czasem jako największy z absurdów egzystencji, i to pomijając nawet udziwnione opisy stanów psychicznych przedstawionych w Kamasutrze, począwszy od lęków egzystencjalnych, a na ekstazie skończywszy. Wystarczy skupić się na osobliwej mechanice seksu. Zagadka, dlaczego u tak wielu organizmów, nawet roślin, występują różne formy płciowości i seksu, skoro wystarczyłoby zadbać jedynie o sklonowanie samych siebie, została już niemal rozwiązana. Ale jeśli seks (i płeć) to największe z absurdów egzystencji, to śmierć jest największym z absurdów nie-egzystencji. Czemu starzejemy się, a w końcu umieramy, często w ciągu naszego życia zapadając na wiele przysparzających cierpienia i przerażających chorób? Śmierć, współczesna obsesja ludzkości, nie jest konsekwencją działania praw termodynamiki lub chaosu; nie wszystkie żywe istoty się starzeją, niektóre potrafią nawet - niczym za naciśnięciem guzika - zatrzymać ten proces. Przekonamy się, że ewolucja potrafiła wydłużyć życie pewnych zwierząt nawet o rząd wielkości i zdarzyło się to nie raz i nie dwa. Nie powinniśmy traktować „pigułki młodości" jedynie jako przenośni. Trzecie kryterium dotyczyło pochodzenia danego wynalazku; musiał on być skutkiem działania doboru naturalnego, a nie na przykład rozwoju kultury. Jestem biochemikiem i nie mam nic odkrywczego do powiedzenia na tematy społeczne czy dotyczące języka. Wiem tylko, że wszystko, co osiągnęliśmy, co uważamy za specyficznie ludzkie, zawdzięczamy świadomości. Niełatwo opisywać społeczeństwo czy jakikolwiek z języków, którymi posługują się ludzie, bez uwzględnienia łączących ich wartości, poglądów czy uczuć; często uczuć trudnych do opisania, takich jak miłość, zadowolenie, smutek, strach, tęsknota, nadzieja, wiara. Skoro ludzki umysł jest produktem ewolucji, musimy wyjaśnić, w jaki sposób aktywność neuronów w mózgu prowadzi do wytworzenia się przekonania o istnieniu niematerialnego ducha, w jaki sposób powstają nasze uczucia. W mojej ocenie to problem biologiczny, choć wyjątkowo trudny. Tę opinię próbuję uzasadnić w rozdziale 9. Podsumowując: świadomość wpada do worka z innymi wynalazkami, zaś język, organizacja społeczna oraz inne produkty rozwoju kulturalnego ludzkości pozostają na zewnątrz. Ostatnim z przyjętych przeze mnie kryteriów była siła oddziaływania danego wynalazku na wyobraźnię; spektakularność. Domniemana doskonałość ludzkiego wzroku to narzucający się i chyba najczęściej - od czasów Darwina, a nawet wcześniej - przytaczany przykład. W późniejszych czasach okiem zajmowano się wiele razy i na wiele sposobów. Jednak w ostatnim dziesięcioleciu liczne odkrycia, poczynione dzięki rozwojowi genetyki, doprowadziły do ujawnienia nowych i zaskakujących faktów z historii jego ewolucji. Dalej, spirale podwójnej helisy DNA, chyba najsłynniejszy symbol współczesnej ery informacyjnej. Równie intrygujące jest zagadnienie pochodzenia komórek złożonych (eukariotycznych), nawet pomimo tego, że bardziej fascynuje ono 7

naukowców niż resztę łudzi. Różne poglądy ewolucjonistów na ten temat ścierają się ze sobą od ponad czterdziestu lat; a wyjaśnienie tego problemu jest kluczowe dla rozstrzygnięcia kwestii, jakie jest prawdopodobieństwo napotkania w kosmosie złożonych form życia. W każdym rozdziale tej książki omawiam właśnie tego rodzaju spektakularność. Zanim zabrałem się do pisania, omówiłem moją listę najbardziej przemawiających do wyobraźni wynalazków z przyjacielem, który zaproponował, żebym zastąpił zdolność do ruchu układem pokarmowym. Jednak układ pokarmowy nie spełnia warunku spektakularności; w mojej ocenie już szybciej na przykład siła mięśni - pomyślmy choćby o lataniu. Ale flaki, które same nie są zdolne się poruszyć? To zaledwie worki trawienne. Nie, to niezbyt imponujące. Poza wymienionymi wyżej formalnymi kryteriami każdy z wynalazków musiał jeszcze działać na moją wyobraźnię. To te z nich, które u mnie - człowieka z pasją obserwującego otaczający go świat - wzbudziły najsilniejszą chęć ich zrozumienia. O niektórych pisałem już w przeszłości, a teraz chciałem potraktować je nieco szerzej. Inne, jak choćby DNA, mogą niebezpiecznie zafascynować chyba każdy dociekliwy umysł. Odkrywanie najdrobniejszych szczegółów w budowie DNA to jedna z najlepszych naukowych historii detektywistycznych minionego półwiecza. Jednak jej znajomość - o dziwo - nie jest wcale tak powszechna, jak można by się spodziewać; nawet wśród naukowców. Mogę mieć tylko nadzieję, że udało mi się przelać na papier trochę własnych emocji jej dotyczących. Stałocieplność - oto kolejny przykład kwestii budzącej wśród naukowców gorące emocje, bo nie mogą się zgodzić, czy dinozaury były aktywnymi, ciepłokrwistymi zabójcami, czy też ociężałymi, gigantycznymi jaszczurkami. Lub czy ciepłokrwiste ptaki wywodzą się od bliskich kuzynów tyranozaura, czy w ogóle nie mają z dinozaurami nic wspólnego. Lepszej okazji do wyrobienia sobie własnej opinii na podstawie przeglądu argumentów za i przeciw nie będzie! Mamy więc listę. Zaczniemy od początków życia, a zakończymy rozważaniami nad śmiercią i widokami na nieśmiertelność, po drodze zastanawiając się nad takimi osiągnięciami, jak DNA, fotosynteza, komórki eukariotyczne, rozmnażanie płciowe, ruch, wzrok, ciepłokrwistość i świadomość. Zanim jednak zaczniemy, muszę jeszcze odnieść się do lejtmotywu tego wprowadzenia: nowych „języków", których znajomość umożliwia wgląd w głębiny historii ewolucji. Do niedawna w przeszłość wiodły nas tylko dwa szerokie trakty: skamieniałości i geny. Jedne i drugie mają potężną moc ożywiania przeszłości, jednak mają też swoje ograniczenia. Domniemane „brakujące ogniwa" w zapisie kopalnym nie są aż tak brakujące, jak może się to wydawać; wiele z nich zostało zresztą zidentyfikowanych w trakcie ostatnich 150 lat, czyli od czasu, gdy martwił się o nie Darwin. Jednak problem ze skamieniałościami polega na tym, że już choćby ze względu na warunki, jakie sprzyjały ich powstaniu, nie możemy jedynie na ich podstawie stworzyć wiernego obrazu przeszłości. To i tak niezwykłe, ile dzięki nim się dowiedzieliśmy. Podobnie jest z genami: porównywanie ich sekwencji pozwala nam budować drzewa filogenetyczne, dzięki którym możemy określić nasze pokrewieństwo z innymi organizmami. Niestety, w trakcie ewolucji w sekwencjach 8

DNA pojawia się tyle zmian, że dalsze porównania stają się niemożliwe. Od pewnego momentu to, co nastąpiło w przeszłości, odczytywane na podstawie genów, staje się niejasne i rozmyte. Są jednak metody wykraczające poza geny i skamieniałości, sięgające głęboko w przeszłość i wyostrzające obraz. Ta książka to także po części sposób na ich docenienie. Dam przykład, jeden z moich ulubionych, który nigdy jakoś nie doczekał się należnej wzmianki w książce. Dotyczy białka (katalizatora, enzymu o nazwie syntaza cytrynian owa), kluczowego dla życia i obecnego we wszystkich żywych organizmach, począwszy od bakterii, a na człowieku skończywszy. Porównywano dwie jego odmiany, występujące u dwóch szczepów bakterii - jeden pochodził z gorących, głębinowych kominów hydrotermalnych, a drugi z mroźnej Antarktyki. Sekwencje genów kodujących enzym u każdego szczepu są inne; z upływem czasu uległy silnemu zróżnicowaniu. Wiemy jednak, że sekwencje obu tych genów wywodzą się od wspólnego przodka. Znamy bowiem wiele „pośrednich" wersji genu syntazy cytrynianowej występujących u bakterii żyjących w bardziej umiarkowanych warunkach. I to właściwie wszystko, czego możemy dowiedzieć się na podstawie różnic w sekwencji poszczególnych genów. Pojawiły się, ponieważ warunki, w których występują różne szczepy bakterii, są inne - abstrakcyjna, teoretyczna i dwuwymiarowa to wiedza. Lecz spójrzmy teraz na przestrzenną budowę tych dwóch enzymów, przekłutych na wylot wiązką promieni rentgenowskich i odcyfrowaną dzięki niezwykłemu postępowi w krystalografii. Obie struktury są tak podobne, że można by je na siebie nałożyć; każda fałda i bruzda, każdy występ i wgłębienie ma swoje odzwierciedlenie we wszystkich trzech wymiarach. Niewprawne oko mogłoby ich nie odróżnić. Innymi słowy, pomimo wymiany wielkiej liczby cegiełek, kształt i struktu- ra molekuły - a tym samym jej funkcja - została zachowana w toku ewolucji, niczym katedra wyciosana z kamienia, przebudowana od środka tak, że kamienne bloki sukcesywnie zastąpiono cegłami, ale wspaniała bryła konstrukcji nie uległa zmianie. I tu kolejne objawienie. Które z cegiełek zostały zastąpione, i dlaczego właśnie te? W przypadku bakterii z supergorących kominów głębinowych, enzym jest tak sztywny, jak to tylko możliwe. Jego składowe są połączone bardzo ściśle poprzez wewnętrzne wiązania odgrywające rolę cementu i utrzymujące strukturę w stanie nienaruszonym nawet podczas turbulencji wywołanych napływem dużej ilości energii z gorących źródeł. Oto katedra zbudowana tak, by przetrwać niekończące się trzęsienia ziemi. Jednak gdy wokół jest lód, sytuacja się odwraca. Teraz budulec jest elastyczny, umożliwia ruch nawet w czasie mrozu. W ściany katedry wbudowano wszędzie łożyska kulkowe. Rzućmy okiem na efektywność działania - kiedy temperatura otoczenia to 6°C, „zimna" wersja enzymu działa 29 razy szybciej niż „ciepła"; podkręćmy jednak temperaturę do 100°C, a rozpadnie się on na kawałeczki. Dopiero teraz widzimy w kolorach i trzech wymiarach. Zmiany w sekwencji genów nagle nabrały sensu: służą zachowaniu funkcji enzymu w skrajnie różnych warunkach. Dostrzegamy, co naprawdę wydarzyło się podczas ewolucji, i dlaczego. To już nie podejrzenie, ale rzeczywiste rozumienie przyczyn i skutków. 9

Podobnie jasne wnioski o tym, co się właściwie wydarzyło, możemy wyciągnąć dzięki rozmaitym wyspecjalizowanym gałęziom wiedzy. Genomika komparatywna umożliwia nam porównywanie nie tylko poszczególnych genów, lecz całych genomów, tysięcy genów równo- cześnie u setek różnych gatunków. I znowu, wszystko to stało się nam dostępne w ciągu kilku ostatnich lat, gdy znacząco wzrosła liczba zsekwencjonowanych genomów. Proteomika daje nam możliwość uchwycenia aktywności wszystkich białek w komórce w wybranym przez nas momencie i zrozumienia, w jaki sposób zarządza nimi niewielka liczba genów regulatorowych, zachowanych przez eony ewolucji. Biologia obliczeniowa umożliwia nam identyfikację określonych kształtów i struktur; motywów białkowych, zakonserwowanych mimo różnic w sekwencji kodujących je genów. Izotopowe analizy skał oraz skamieniałości ułatwiają nam zrekonstruowanie przebiegu zmian w atmosferze i klimacie. Techniki obrazowania ukazują nam pracę neuronów w żywym, myślącym mózgu, a także trójwymiarową strukturę mikroskopijnych skamieniałości wciąż zamkniętych wewnątrz skał. I tak dalej. Żadna z tych technik nie jest nowa. Zupełnie nowe jest jednak ich wyrafinowanie, szybkość działania i dostępność. Tak jak to było w przypadku „Projektu poznania ludzkiego genomu", który osiągnął swoje crescendo znacznie wcześniej, niż było to planowane, prędkość, z jaką powiększa się nasz zasób danych, może przyprawić o zawrót głowy. Duża część tych informacji nie jest spisana w klasycznych językach genetyki populacyjnej i paleontologii, lecz raczej w języku kształtów cząsteczek, czyli na poziomie, gdzie w przyrodzie tak naprawdę następują zmiany. Wraz z pojawieniem się tych odnowionych technik narodził się nowy typ naukowca ewolucjonisty - zdolnego obserwować działanie ewolucji „na żywo". Obraz, który dzięki nim się wyłania, zapiera dech w piersi bogactwem szczegółów i perspektywą: od szczegółów na poziomie atomowym do wielkości wyrażanych w skali planetarnej. Oto dlaczego napisałem wcześniej, że po raz pierwszy w historii wiemy. Oczywiście, znacząca część tej stale przyrastającej wiedzy jest tymczasowa; wciąż jednak ważna i intrygująca. Wspaniale jest żyć w czasach, gdy wiemy już tak dużo - a przecież możemy się spodziewać, że wkrótce dowiemy się jeszcze więcej. 10

1 POCZĄTKI ŻYCIA Ponieważ się kręci Nadeszła noc, szybko zastępując dzień. Na ówczesnej Ziemi trwał on zaledwie pięć do sześciu godzin. Planeta jak szalona obracała się wokół własnej osi. Księżyc wisiał ciężko i groźnie na niebie, znacznie bliższy, przez co wydawał się znacznie większy niż obecnie. Gwiazdy prawie nie błyszczały, bowiem atmosfera pełna była dymu i pyłów; niebo stale rozjaśniały jednak widowiskowe meteory. Słońce, gdyby akurat dało się je zobaczyć w czerwonawym smogu, wydałoby się rozmyte i słabe, pozbawione właściwego mu wigoru. Ludzie nie mogliby tutaj przetrwać. Nasze gałki oczne nie spęczniałyby i nie eksplodowały, tak, jak stałoby się to na Marsie; jednak nasze płuca nie doczekałyby się nawet haustu tlenu. Walczylibyśmy desperacko może minutę, aż w końcu byśmy się udusili. Ziemia to zresztą nie najlepsza nazwa. „Morze" byłoby odpowiedniejsze. Nawet dzisiaj dwie trzecie powierzchni Ziemi pokrywają oceany, dominujący element na zdjęciach wykonywanych z kosmosu. Wtedy zaś cała planeta pokryta była wodą, z nielicznymi wulkanicznymi wysepkami wyłaniającymi się tu i ówdzie ze wzburzonego morza. Jakby poddając się grozie Księżyca, fale osiągały kolosalne rozmiary, wznosiły się nawet na setki metrów. Zderzenia z planetoidami i ko- metami nie były już tak częste jak wcześniej, gdy największe z nich wstrzeliło na orbitę Księżyc; jednak nawet w tym okresie względnego spokoju oceany wrzały, gwałtownie mieszały, stale się zagotowywały. Skorupę ziemską przecinały liczne pęknięcia, magma wznosiła się w spiralach ku powierzchni ziemi, a podwodne wulkany często pojawiały się w podwodnym krajobrazie. Był to świat wytrącony z równowagi, niespokojna, rozgorączkowana, niemowlęca planeta. Był to świat, na którym 3800 milionów lat temu narodziło się życie - niewykluczone, że powołane do istnienia przez część tego planetarnego niepokoju. Wiemy o tym dzięki pochodzącym z minionej epoki kilku okruchom skały, które przetrwały przez niespokojne eony aż do dzisiaj. W ich wnętrzu uwięzione tycie drobiny węgla, których kompozycja atomów ujawnia niemal pewne ślady życia. Jeśli brzmi to jak marny pretekst mający uzasadnić wielkie twierdzenie, mniejsza o to; nawet eksperci nie są jednomyślni. Przerzućmy jednak kilka kolejnych stronic księgi historii, a dostrzeżemy - 3400 milionów lat temu - znaki życia, którego istnienia nie można zakwestionować. Świat opanowały bakterie, których ślad pozostał nie tylko w zapisie węglowym, lecz także w licznych mikroskamieniałościach oraz w zwieńczonych kopułami, wysokich na metr, katedrach bakteryjnego życia - stromatolitach. Bakterie dominowały na Ziemi przez kolejne 2500 milionów lat, kiedy to w odczycie kopalnym pojawiają się pierwsze złożone organizmy. Niektórzy uważają, że wciąż tak jest, ze względu na to, że cała biomasa złożona z roślin i zwierząt nie może równać się z bakteryjną. 11

Cóż takiego na wczesnej Ziemi tchnęło życie w nieorganiczne składniki? Czy jesteśmy niepowtarzalni, czy też nasza planeta jest tylko jedną z milionów miliardów wylęgarni życia rozrzuconych we wszechświecie? Z perspektywy zasady antropicznej nie ma to większego znaczenia. Jeśli prawdopodobieństwo pojawienia się życia we wszechświecie wynosi jeden do miliona miliardów, to to, że wśród miliona miliardów planet życie się pojawi, jest niemal pewne. A skoro już tu jesteśmy, to najwyraźniej chodzi właśnie o naszą planetę. Jakkolwiek nadzwyczajnym może wydawać się życie, w nieskończonym wszechświecie zawsze jest prawdopodobieństwo, że pojawi się na jednej z planet, a my przebywamy właśnie na niej. Jeśli nie przekonuje cię, podobnie jak mnie, ta nader mądra statystyka, to służę jeszcze jednym, również nie do końca przekonującym wyjaśnieniem, proponowanym przez takich luminarzy jak Fred Hoyle i później Francis Crick. Oto życie narodziło się gdzieś indziej i „zainfekowało" naszą planetę, czy to przez przypadek, czy też na skutek machinacji niesprecyzowanych, przypominających bogów przedstawicieli pozaziemskiej inteligencji. Może właśnie tak się stało - kto zaręczy, że nie? Jednak większość naukowców nie akceptuje tak przeprowadzonego rozumowania. Rozumnie, bowiem w przeciwnym razie oznaczałoby to przyjęcie założenia, że nauka nie może udzielić odpowiedzi na to pytanie, zanim jeszcze zadaliśmy sobie trud sprawdzenia, czy tak było w istocie. Zwykle stosowanym uzasadnieniem dla poszukiwania wyjaśnienia gdzieś w odległym wszechświecie jest czas: na Ziemi nie upłynęło wystarczająco dużo czasu, by wyewoluowało na niej życie w całej swej oszałamiającej złożoności. Niby według kogo? Laureat Nagrody Nobla Christian de Duve, równie szanowany jak naukowcy wymienieni powyżej, z pasją przekonuje, że determinizm chemiczny sprawia, iż życie musiało narodzić się szybko. Ogólnie rzecz ujmując - tłumaczy - reakcje chemiczne przebiegają gwałtownie lub po prostu nie zachodzą. Gdyby jakakolwiek reakcja chemiczna miałaby trwać tysiąclecie, to jest duża szansa, że biorące w niej udział substraty rozpadłyby się lub rozproszyły; oczywiście, jeśli nie byłyby stale uzupełniane, będąc na przykład produktem innych, szybszych reakcji. Początki życia musiały mieć związek z chemią, a więc, stosując tę samą logikę: pierwsze reakcje prowadzące do powstania życia musiały rozpocząć się spontanicznie i przebiegać szybko. Czyli, według Duve'a, życie powinno narodzić się raczej w ciągu 10 tysięcy lat niż 10 miliardów. Niewykluczone, że nigdy nie zyskamy pewności co do tego, jakie naprawdę były początki życia na Ziemi. Nawet jeśli uda nam się doprowadzić do tego, że z probówki z bulgoczącym chemicznym zaczynem wypełzną bakterie czy jakieś robaki, to wciąż nie będziemy wiedzieć, czy tak właśnie narodziło się życie na naszej planecie. Udowodnimy jedynie, że to możliwe i może bardziej prawdopodobne, niż jeszcze do niedawna nam się to wydawało. Tyle tylko, że w nauce nie chodzi o wyjątki, ale o reguły. A reguły wyjaśniające pojawienie się ziemskiego życia powinny być prawdziwe w dowolnym miejscu we Wszechświecie. Nasza wyprawa mająca rozstrzygnąć kwestię początków życia nie służy ustaleniu, co wydarzyło się o 6.30 rano w czwartkowy poranek 3851 milionów lat przed naszą erą, lecz jest raczej próbą określenia uniwersalnych reguł rządzących pojawieniem się jakiegokolwiek życia, gdziekolwiek we 12

wszechświecie, ze szczególnym uwzględnieniem naszej planety, jedynego znanego nam takiego przypadku. Niemal na pewno nie wszystkie szczegóły historii, którą prześledzimy, wiernie odzwierciedlają rzeczywistość, jednak w ogólnym zarysie jest ona prawdziwa. Chcę pokazać, że narodziny życia nie są wcale wielką zagadką, jak się to często przedstawia, lecz że jego pojawienie się jest skutkiem - być może nieuniknionym - aktywności zamieszkiwanego przez nas ciała niebieskiego. *** Oczywiście, w nauce nie chodzi jedynie o reguły, lecz także o doświadczenia umożliwiające ich ustalenie. Nasza opowieść rozpoczyna się w roku 1953, annus mirabilis, w którym dokonała się koronacja Elżbiety II, umarł Stalin, zdobyto Mount Everest, poznano przestrzenną strukturę DNA i - to wydarzenie tej samej rangi - przeprowadzono eksperyment Millera-Ureya, uznawany za symboliczny początek początków badań nad życiem. Stanley Miller był wówczas upartym doktorantem w laboratorium noblisty Harolda Ureya; zmarł w 2007 roku, wciąż walcząc o akceptację swej teorii i poglądów głoszonych od półwiecza. Zostawmy na boku jego osobiste przekonania - prawdziwe dziedzictwo Millera polegało na tym, że stworzył zupełnie nowe pole badań, powstałe dzięki przeprowadzonym przez niego doświadczeniom, których wyniki działają na wyobraźnię nawet dzisiaj. Miller przygotował układ dwóch kolb szklanych wypełnionych wodą i mieszaniną gazów odpowiadającą, według jego założeń, pierwotnej atmosferze ziemskiej. Kompozycja tej mieszanki przypominać miała (jak uważano na podstawie badań spektroskopowych) atmosferę Jowisza, wobec czego - jak całkiem sensownie zakładał - jej skład- niki: metan, amoniak i wodór mogły być obecne w dużych ilościach także na młodej Ziemi. Miksturę tę Miller poddawał elektrycznym wyładowaniom i czekał. Co kilka dni, tygodni i miesięcy pobierał i analizował próbki, by przekonać się, co właściwie pichci. Wyniki tych analiz przeszły jego najśmielsze oczekiwania. Uwarzył bowiem zupę pierwotną, niemal legendarną mieszankę cząsteczek organicznych, wśród których znalazły się też aminokwasy, czyli cegiełki budujące białka. W tamtych czasach, zanim sławę zdobyło DNA, były to cząsteczki bodaj najczęściej kojarzone z życiem, symbolizujące je. Jeszcze bardziej niesamowite było to, że aminokwasy z zupy należały do grupy związków, które wykorzystuje życie, a nie były jednymi z bardzo wielu, potencjalnie równie prawdopodobnych związków. Innymi słowy, Miller przepuścił prąd przez prostą mieszaninę gazów, a podstawowe materiały budulcowe życia same się z niej wydzieliły, jakby tylko czekały, by powołano je do istnienia. Nagle narodziny życia wydały się banalnie proste. Koncepcja doskonale trafiła w swój czas, a jej opis dostał się nawet na pierwszą stronę magazynu „Time"; doprawdy rzadkie wydarzenie w przypadku doświadczeń naukowych. Z czasem jednak teoria pierwotnej zupy straciła na popularności. Największy cios zadały jej analizy starożytnych skał, które wykazały, że Ziemia nigdy nie miała atmosfery bogatej w metan, amoniak i wodór; przynajmniej nie po okresie wielkiego bombardowania planetoidami, w czasie którego na swoją orbitę wystrzelony został Księżyc. Zmiotło ono wczesną atmosferę naszej planety 13

gdzieś w przestrzeń kosmiczną. Nowe, bardziej realistycznie próby symulacji pierwotnej atmosfery ziemskiej okazały się rozczarowujące. Potraktowanie prądem elektrycznym mieszanki dwutlenku węgla i azotu doprowadziło do powstania jedynie nielicznych związków organicznych; rzadko trafiał się jakiś aminokwas. Pierwotna zupa stała się nagle czymś niewiele ważniejszym od naukowej ciekawostki, chociaż wciąż potwierdzała tezę, iż złożone cząsteczki organiczne mogą powstawać w laboratorium dzięki stosunkowo prostym sposobom. Zupę uratowało odkrycie, że w przestrzeni kosmicznej, w szczególności na kometach i meteorytach, nie brakuje związków organicznych. Niektóre z komet, jak się okazało, składają się właściwie jedynie z lodu i właśnie różnych związków organicznych, między innymi aminokwasów, często w zestawie bardzo przypominającym otrzymany podczas przepuszczania prądu przez mieszaninę gazów. Oprócz tego, że było to odkrycie dosyć zaskakujące, wskazywało też, iż niektóre cząsteczki organiczne mogą być preferowane w roli budulca życia - jest ich stosunkowo niewiele wśród olbrzymiej liczby związków chemicznych. Z tej perspektywy okres wielkiego bombardowania prezentuje się zupełnie inaczej: już nie tylko jako czas destrukcji, lecz także przybycia na naszą planetę wody i związków organicznych, bez których życie by się nie narodziło. Zupy nie ugotowano na Ziemi, dostarczono ją do nas z kosmosu. Pomimo że zdecydowana większość substancji organicznych uległaby spaleniu podczas uderzenia, wyliczenia wskazują, że mogłoby ich przetrwać wystarczająco dużo na sporządzenie bulionu. Nawet jeśli teoria zakładająca, że życie rozsiewało się swobodnie w kosmosie - jej gorącym orędownikiem był chociażby Fred Hoyle - nie jest do końca poprawna, to jednak chyba już na stałe związała koncepcję początków życia (a przynajmniej zupy pierwotnej) z materią Wszechświata. Pojawienie się życia przestało być postrzegane w kategoriach samotnego wyjątku - nagle stało się wręcz nieuniknione, awansowało do rangi poważnej stałej kosmologicznej. Rzecz jasna, astrobiolodzy natychmiast kupili ten pomysł. Niektórzy wciąż go akceptują. Pomijając już jego zgrabność, zapewnia im miejsca pracy. Zupa trafiła też w smak biologów molekularnych, a dokładniej część koncepcji odnosząca się do kopiowania i „replikatorów" (samopowielających się cząsteczek), na przykład genów, których budulcem jest DNA lub RNA i które replikują się z wielką dokładnością pokolenie po pokoleniu (więcej na ten temat w kolejnym rozdziale). Nie ma wątpliwości co do tego, że dobór naturalny nie mógłby działać bez replikatorów jakiegokolwiek rodzaju; podobnie jak jest jasne, że złożoność życia może się pojawić jedynie w wyniku selekcji naturalnej. Z tego względu wielu biologów molekularnych uważa, że narodziny życia to narodziny procesu replikacji. Koncepcja pierwotnej zupy, zawierającej wszystkie niezbędne składniki potrzebne do pojawienia się i rozwoju konkurujących ze sobą, samopowielających się cząsteczek dobrze wpisuje się w ten schemat. W porządnej, gęstej zupie replikatory najpierw brałyby to, co im potrzebne, tworząc coraz dłuższe i coraz bardziej skomplikowane polimery, a w końcu zarządzałyby innymi cząsteczkami w złożonych strukturach, takich jak białka i komórki. Z tego punktu widzenia zupa przypomina raczej morze 14

wypełnione literami, czekającymi tylko, by wyłowił je dobór naturalny, składając następnie w niezrównaną prozę. Pomimo to koncepcja pierwotnej zupy to szkodliwy pomysł. Szkodliwy nie dlatego, że obarczony jest jakimiś poważnymi błędami - nie; dawno, dawno temu mogła sobie gdzieś być pierwotna zupa, choćby nawet bardziej rozcieńczona, niż początkowo twierdzono. Koncepcja ta jest szkodliwa, bowiem przez dziesięciolecia odwracała ludzką uwagę od rzeczywistych fundamentów, na jakich powstało życie. Weźmy dużą, wyjałowioną puszkę zupy (albo masła orzechowego) i zostawmy ją na parę milionów lat. Czy wyłoni się z niej życie? Nie. Dlaczego? Ponieważ zawartość puszki, pozostawiona sama sobie, po prostu się rozłoży. Jeśli będziemy ją co jakiś czas podgrzewali, nie poprawimy sytuacji, tylko przyspieszymy rozkład. Jakieś sporadyczne i potężne wyładowanie, takie jak piorun, mogłoby może skłonić kilka cząsteczek do sklejenia się ze sobą, ale bardziej prawdopodobne, że doprowadziłoby raczej do rozbicia wszystkiego w drzazgi. Czy mogłyby w ten sposób powstać złożone, samopowielające się cząsteczki? Wątpliwe. Po prostu, jak odpowiadają w Arkansas zapytani o drogę: „Stąd się tam nie dotrze". Nie ma to sensu z perspektywy termodynamiki, z tych samych powodów, dla których poddawanie zwłok serii elektrowstrząsów nie przywróci ich do życia. „Termodynamika" to jedno z tych słów, których lepiej unikać w książce przeznaczonej dla licznej grupy czytelników; może jednak zabrzmieć bardziej intrygująco, jeśli uświadomimy sobie, co właściwie ono oznacza: naukę o „pożądaniu". Świat atomów i cząsteczek przedstawiany jest za pomocą określeń takich jak: „przyciąganie", „odpychanie", „chęć" i „rozładowanie" - jest ich tyle, że niepodobna pisać o chemii i nie ulec namiętnej chęci antropomorfizacji tej dyscypliny. Cząsteczki „chcą" stracić lub przyjąć elektrony; przyciągnąć przeciwny biegun, odepchnąć go albo stworzyć trwały związek. Chemiczna reakcja może rozpocząć się spontanicznie, jeśli cząsteczkowi partnerzy do siebie pasują, lub też być wymuszona na skutek zadziałania zewnętrznej siły. No i oczywiście niektóre cząsteczki naprawdę chcą wejść w reakcję, lecz nie pozwala im na to wrodzona nieśmiałość. Trochę flirtu i może dojść do wyzwolenia prawdziwego pożądania, potężnego wyładowania energii. Może jednak już przestanę. Zmierzam do tego, że termodynamika jest niezwykle ważna. Jeśli dwie cząsteczki nie chcą wejść w reakcję, trudno będzie je do tego nakłonić; jeśli jednak chcą ze sobą reagować, to w końcu im się to uda, nawet jeśli przełamanie nieśmiałości zabierze im trochę czasu. Cząsteczki w pożywieniu bardzo chcą wejść w reakcję z tlenem, na szczęście jednak reakcja ta nie przebiega spontanicznie (są ździebko nieśmiałe), inaczej wszyscy byśmy spłonęli w mgnieniu oka. Jednak płomień życia, powolne spalanie utrzymujące nas przy życiu - to reakcja właśnie tego rodzaju: wodór z pożywienia reaguje z tlenem, uwalniając całą potrzebną nam do życia energię1 . W gruncie rzeczy wszelkie życie podtrzymywane jest dzięki „podstawowej reakcji" podobnego rodzaju: reakcji 1 Dokładniej, chodzi o reakcję redoks, w której elektrony wędrują od donora (wodór) do akceptora (tlen), który "chce" je mieć bardziej, w wyniku czego powstaje woda, stabilny termodynamiczne produkt końcowy procesu. We wszystkich reakcjach redoks przekazywane są elektrony. Co ważne, wszystkie formy życia, od bakterii po człowieka, aby pozyskać energię, wykorzystują, w ten czy inny sposób, transfer elektronów. Jak ujął to węgierski noblista Albert Szent-Gyorgy: "Życie to nic innego niż elektron szukający miejsca, gdzie mógłby spocząć". 15

chemicznej, która po prostu „chce" przebiegać i uwolnić energię i może zasilić inne reakcje składające się na metabolizm. Cała ta energia, całe nasze życie, sumuje się w zestawieniu tych dwóch cząsteczek, wodoru i tlenu, kompletnie względem siebie niezrównoważonych chemicznie: dwóch przeciwnych sobie bytów łączących się w rozkosznej cząsteczkowej unii, z wydzieleniem słusznej ilości energii, prowadzącej ostatecznie do powstania małej kałuży gorącej wody. I tu właśnie dochodzimy do problemu z pierwotną zupą: jest ona termodynamicznie zrównoważona. Nic w niej nie wyraża nadmiernej chęci do reagowania z czymkolwiek innym; w każdym bądź razie nie na skalę porównywalną z wzajemnym pociągiem tlenu i wodoru. Nie ma tu żadnej nierównowagi, siły zdolnej popchnąć życie wyżej, wyżej, wciąż wyżej stromym energetycznym wzgórzem, aż do powstania prawdziwie złożonych polimerów, takich jak białka, tłuszcze, cukry, a zwłaszcza RNA i DNA. Pomysł, że samopowielające się cząsteczki, takie jak RNA, były pierwszym wynalazkiem życia, poprzedzającym jakąkolwiek termodynamiczną siłę napędową przypomina, jak ujął to Mike Russell, „oczekiwanie, że po wymontowaniu z samochodu silnika jego funkcje przejmie komputer pokładowy". Jeśli jednak silnik nie pochodzi z zupy, to skąd się wziął? *** Pierwsza wskazówka do poznania odpowiedzi na to pytanie pojawiła się na początku lat siedemdziesiątych, gdy wzdłuż ryftu Galapagos, niedaleko od wysp Galapagos, odkryto wznoszące się strumienie ciepłej wody. Lokalizacja w sam raz: w miejscu, którego biologiczne bogactwo zainspirowało swojego czasu Darwina do rozważań na temat powstawania gatunków, znaleziono podpowiedz dotyczącą początków życia. Przez kolejnych kilka lat niewiele się działo. Dopiero w 1977 roku, osiem lat po tym, jak Neil Armstrong postawił stopę na Księżycu, amerykański batyskaf „Alvin" zanurzył się w rejonie ryftu w poszukiwaniu podgrzewających wodę kominów hydrotermalnych i szybko je odnalazł. O ile jednak sama lokalizacja kominów nie była zbyt zaskakująca, o tyle odkrycie w głębinach nieopodal ryftu niezwykłego bogactwa form życia krzewiącego się w egipskich ciemnościach było prawdziwym szokiem. Były tam olbrzymie wieloszczety, niektóre długości dwóch i pół metra, a także małże wielkości talerza i inne mięczaki. Jeśli znaczne rozmiary tych zwierząt nie są w morskich głębinach zbyt zaskakujące - przypomnijmy sobie choćby gigantyczne kałamarnice - to ich niezmierzona różnorodność była doprawdy oszałamiająca. Gęstość i zróżnicowanie populacyjne przy głębinowych ujściach kominów dorównuje bogactwu rafy koralowej lub lasu deszczowego, pomimo że zasilane jest kominowymi wyziewami, a nie słońcem. Niewykluczone, że najbardziej niesamowite są jednak same kominy, do których szybko przylgnęła nazwa black smokers2 . Jak się okazało, kominy na ryfcie Galapagos okazały (zob. ryc. 1.1) się raczej przeciętne w porównaniu z niemal dwustoma innymi, rozrzuconymi po oceanicznych ryftach na Pacyfiku, Atlantyku i Oceanie Indyjskim, które odkryto od tego czasu podwodnych strefach ich występowania. Chwiejne i niestabilne ciemne kominy, wznoszące się czasem na 2 Od czarnego koloru wyrzucanego przez nie „dymu" (wszystkie przypisy pochodzą od tłumacza). 16

wysokość drapaczy chmur, wyrzucają gwałtownie kłęby czarnego dymu w głębiny bezpośrednio nad nimi. Ten „dym" oczywiście nie jest prawdziwym dymem, lecz mieszaniną wydobywających się z magmowego pieca kwaśnych jak ocet i rozgrzanych do temperatury dochodzącej do 400°C (pod olbrzymim ciśnieniem oceanicznych głębi) siarczków metali strącających się w kontakcie z chłodną wodą. Same kominy zbudowane są z zawierających siarkę minerałów, takich jak na przykład piryt (lepiej znany jako złoto głupców), osadzających się często na sporych obszarach w złożach o dużej miąższości. Zanim się przewrócą, niektóre z kominów wzrastają w błyskawicznym tempie, nawet do 30 centymetrów dziennie, osiągając czasem wysokość dochodzącą do 60 metrów. Ryc. 1.1 Powstały dzięki aktywności wulkanicznej komin hydrotermalny typu black smoker. Grzbiet Juan de Fuca, północno-wschodnia część Pacyfiku. Mar ker odpowiada długości jednego metra. Ryc. 1.2 Nature Tower, trzydziestometrowy aktywny zasadowy komin hydrotermalny w Zaginionym Mieście (Lost City) wznoszący się ze skalnego podłoża zbudowanego z serpentynów. Aktywne części komina są jaśniejsze na zdjęciu. Marker odpowiada długości jednego metra. Ten dziwaczny i odizolowany świat dobrze odpowiada wizji piekła, bogatego w siarkę i spowitego odorem siarkowodoru. Chyba tylko wyobraźnia Hieronima Boscha mogłaby stworzyć obrazy gigantycznych, pozbawionych zarówno otworu gębowego, jak i odbytniczego rurkoczułkowców czy nieposiadających oczu krewetek, groteskowych niczym rój szarańczy i kłębiących się w nieprzebranych masach na skalnych półkach poniżej kominów. Życie blisko kominów toleruje występujące tam warunki; wręcz nie mogłoby się bez nich obyć, dzięki nim istnieje. Dlaczego? 17

Odpowiedź brzmi: właśnie ze względu na brak równowagi. W miarę jak morska woda przesącza się w kierunku magmy poniżej kominów, staje się przegrzana i nasycona minerałami i gazami, przede wszystkim siarkowodorem. Bakterie siarkowe mogą z tej mieszanki pozyskiwać wodór i przyłączać go do dwutlenku węgla, wytwarzając materię organiczną. To najważniejsza reakcja, na której opiera się życie w pobliżu kominów hydrotermalnych, umożliwiająca bakteriom istnienie bez Słońca. Jednak przetworzenie dwutlenku węgla w związki organiczne wymaga też energii, a żeby ją zdobyć, bakterie siarkowe potrzebują tlenu. Reakcja siarkowodoru z tlenem uwalnia energię zasilającą ożywiony świat kominów hydrotermalnych i jest odpowiednikiem reakcji wodoru z tlenem napędzającej życie naszego rodzaju. Tak jak poprzednio, jej produktem jest woda, ale tym razem dodatkowo powstaje jeszcze siarka rodzima, od której nazwę wzięły bakterie siarkowe. Warto zwrócić uwagę, że kominowe bakterie nie korzystają bezpośrednio ani z ciepła, ani żadnego innego przejawu aktywności komina hydrotermalnego, poza właśnie siarkowodorem3 . Nie jest to gaz szczególnie bogaty energetycznie; to jego reakcja z tlenem prowadzi do uwolnienia energii, co znowu zależy od sprzężenia występującego pomiędzy kominami hydrotermalnymi a oceanem, zestawienia dwóch światów w stanie dynamicznej nierównowagi. Jedynie bakterie żyjące w bezpośredniej bliskości kominów, korzystające z połączenia tych dwóch środowisk, mogą skorzystać z opisanych reakcji. Zwierzęta zaś pasą się na tych bakteryjnych pastwiskach, jak to jest w przypadku kominowych krewetek, bądź też urządzają dla nich miejsce w obrębie własnego ciała. Wyjaśnia to na przykład, dlaczego rurkoczułkowce nie potrzebują układu pokarmowego; żywią się „od środka" dzięki „bakteryjnym stadom" żyjącym w ich wnętrzu. Ścisły wymóg zapew- nienia stałego dopływu zarówno siarkowodoru, jak i tlenu postawił zwierzęcych gospodarzy przed różnymi ciekawymi dylematami, zmuszając ich do połączenia różnych światów w swoich wnętrzach. Wiele z interesujących szczegółów anatomicznych rurkoczułkowców to konsekwencje właśnie tego przymusu. Niezwykłe warunki podwodnego świata kominów hydrotermalnych szybko przykuły uwagę naukowców zajmujących się początkami życia, w pierwszej kolejności Johna Barossa z University of Washington w Seattle. Odkrycie kominów z miejsca rozwiązało wiele z problemów związanych z zupą pierwotną, a przede wszystkim z termodynamiką. Trudno bowiem doszukać się jakiegokolwiek zrównoważenia w kłębach wyrzucanego przez kominy czarnego dymu. Powiedziawszy to, warto pamiętać, że sprzężenie pomiędzy kominami hydrotermalnymi i oceanem na młodej Ziemi musiało funkcjonować nieco inaczej niż dziś, ze względu na to, że ograniczony był dostęp do tlenu (jeśli w ogóle był możliwy). Pierwotną siłą napędową nie mogła więc być reakcja siarkowodoru z tlenem, jak obecnie. W każdym razie oddychanie na Poziomie komórkowym to złożony proces wymagający sporo czasu, by wyewoluować; nie mógł więc on być pierwotnym 3 To stwierdzenie nie jest do końca poprawne. Kominy emitują pewne ilości światła (jest to omówione w rozdziale 7), które jednak jest zbyt słabe, by mogło wykryć je ludzkie oko, i jednocześnie wystarczająco silne, by zasilać fotosyntezę u niektórych bakterii. Te jednak, w porównaniu z bakteriami siarkowymi, są tylko bardzo niewielką częścią ekosystemu. Nawiasem mówiąc, nieistotność w tym kontekście ciepła i światła potwierdzono, odkrywając miejsca tak zwanych chłodnych wycieków na dnie oceanicznym, zasiedlone przez równie zróżnicowaną faunę, co występująca w bliskości klasycznych kominów hydrotermalnych. [Temperatura substancji wyrzucanych przez „chłodne" kominy odpowiada temperaturze wody morskiej lub jest od niej nieco wyższa]. 18

źródłem energii. Jego rolę spełniała - jeśli zaufać obrazoburczym poglądom niemieckiego chemika i rzecznika patentowego Guntera Wachtershausera - reakcja siarkowodoru z żelazem prowadząca do powstania pirytu. Zachodzi ona spontanicznie, uwalniając odrobinę nadającej się do zmagazy- nowania energii, przynajmniej w teorii. Wachtershauser zaproponował chemiczny schemat początków życia, który nie przypominał żadnego znanego wcześniej. Ponieważ energia wydzielająca się podczas reakcji powstawania pirytu nie wystarczyłaby na wbudowanie dwutlenku węgla w związki organiczne, Wachtershauser skupił uwagę na tlenku węgla, jako bardziej reaktywnym; w rzeczy samej, gaz ten wykrywano w kwasowych kominach hydrotermalnych. Interesowały go też inne powolne reakcje z udziałem różnych minerałów żelazowo-siarkowych o niecodziennych właściwościach katalitycznych. Na bis Wachtershauser wraz ze swoimi współpracownikami przeprowadzili większość przewidywanych reakcji w laboratorium, udowadniając w ten sposób, że są one czymś więcej, niż tylko teoretycznym konceptem. Było to niezwykłe osiągnięcie, które zrewolucjonizowało poglądy na to, jakie mogły być początki życia, wyczarowawszy je nagle w samym środku piekielnych otchłani, z użyciem najbardziej chyba zaskakujących składników, czyli siarkowodoru, tlenku węgla i pirytu - dwóch trujących gazów i złota głupców. Pewien naukowiec wspominał, że gdy po raz pierwszy zetknął się z publikacją Wachtershausera, poczuł się, jakby wpadła mu w ręce praca pochodząca z końca XXI wieku, najwyraźniej przemieszczona wskutek zakrzywienia czasoprzestrzeni. Czy słusznie? Wachtershausera poddano też ostrej krytyce. Po części dlatego, że jest on najczystszej krwi rewolucjonistą obalającym zastałe poglądy; po części, ponieważ jego sposób bycia drażni wielu naukowców; a po części wreszcie dlatego, iż kilka szczegółów w schemacie, który szkicuje, może budzić uzasadnione wątpliwości. Prawdopodobnie najważniejszą z nich jest „problem stężenia", dotyczący także zupy pierwotnej. Każda cząsteczka organiczna musiałaby dyfundować w oceanie i jest bardzo mało prawdopodobne, by mogła napotkać inną i wejść z nią w reakcję, tworząc polimery takie jak RNA czy DNA. Teoria Wachtershausera nie przewiduje nic, co mogłoby je ograniczać. Naukowiec odpiera jednak ten zarzut, twierdząc, że wszelkie reakcje mogły przebiegać na powierzchni minerałów takich jak piryt. Z tym jednak też jest kłopot, bowiem wiele reakcji nie mogłoby się zakończyć, jeśli z powierzchni katalizatora nie następowałoby odprowadzenie produktu. Wszystko albo by się zapychało, albo rozpraszało4 . Mike Russell, pracujący obecnie w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie, zaproponował rozwiązanie tych problemów w połowie lat osiemdziesiątych. Przypominający raczej profetycznego naukowego barda, któremu bliskie jest opisywanie świata przez pryzmat geopoezji [określenie ukute przez Harry'ego Hessa, po raz pierwszy pojawiające się w jego pracy pod tytułem The History of Ocean Basins, opublikowanej w 1952 roku, w której autor podkreślał, że nie każdy 4 Do innych problemów można zaliczyć temperaturę (według niektórych zbyt wysoką, by mogły w niej przetrwać cząsteczki organiczne), zakwaszenie (środowisko większości kominów hydrotermalnych jest zbyt kwasowe, by mogły w nich zachodzić reakcje proponowane przez Wachtershausera, a doświadczenia w jego własnym laboratorium prowadzono jedynie w zasadowych warunkach reakcji), a także siarkę (według współczesnej chemii jest jej tam zbyt dużo). 19

pogląd może być udowodniony - przyp. tłum.*]. Russell twierdzi, iż życie powstało dzięki termodynamice i geochemii. Te poglądy odróżniają go od większości biochemików. W ciągu dziesięcioleci koncepcje Russella zyskały grono zwolenników, uznających je za niepowtarzalne rozwiązanie zagadki pochodzenia życia. Zarówno Wachtershauser, jak i Russell zgadzają się, że kominy hydrotermalne odegrały zasadniczą rolę w pojawieniu się życia. Poza tym, tam gdzie jeden widzi czarne, drugi widzi białe, gdy jeden zwraca uwagę na aktywność wulkaniczną, drugi na jej przeciwieństwo, jeden opowiada się za kwasami, drugi za zasadami. Choć ich koncepcje często się miesza, w rzeczywistości mają one ze sobą niewiele wspólnego. Już służę wyjaśnieniami. *** Grzbiety oceaniczne, na których występują black smokers są jednocześnie strefą rozrastania się dna oceanicznego. Są to centra wulkanicznej aktywności, w której unosząca się magma powoli odpycha od siebie sąsiednie płyty tektoniczne, mniej więcej w tempie wzrostu Paznokci u stóp. W miarę, jak dwie płyty gdzieś daleko wzajemnie na siebie napierają, jedna wpychana jest pod drugą, zaś ta pierwsza unosi się w przerażających konwulsjach coraz wyżej. Himalaje, Andy, Alpy; wszystkie rozcięły krajobraz na skutek kolizji płyt tektonicznych. Powolny ruch rozrastającej się skorupy oceanicznej odsłania nowe skały ze znajdującego się pod nią płaszcza ziemskiego. Dzięki nim istnieje drugi typ kominów hydrotermalnych, bardzo różniący się od wspominanych już black smokers. To właśnie typ kominów, za którymi opowiada się Russell. Nie są one pochodzenia wulkanicznego, a magma nie bierze udziału w ich tworzeniu. Powstają wskutek reakcji wspomnianych świeżo odsłoniętych skał z wodą morską. Woda nie tylko się przez nie przesącza, lecz także wchodzi z nimi fizycznie w reakcję, tworząc minerały zawierające liczne grupy wodorotlenowe, takie jak serpentyn5 . Na skutek reakcji z wodą morską skała się rozszerza, co prowadzi do powstania w niej pęknięć i szczelin, przez które do wnętrza wnika jeszcze więcej wody i proces postępuje. Skala tych reakcji jest zadziwiająca: ocenia się, że objętość uwięzionej wody dorównuje objętości wszystkich ziemskich oceanów. Wraz z rozszerzaniem się dna oceanicznego, uwodnione minerały w skałach zostają w końcu wepchnięte wraz z płytą litosferyczną pod inną płytę, a następnie podgrzane w ziemskim płaszczu. Wtedy, głęboko w trzewiach planety, uwalniają morską wodę, co napędza konwekcję i cyrkulację magmy w płaszczu ziemskim, wypychając ją ku powierzchni w strefie grzbietów oceanicznych i wulkanów. W ten właśnie sposób gwałtowny wulkanizm naszej planety napędzany jest „przepływem" wody w ziemskim płaszczu. Oto, co zaburza równowagę naszego świata. Oto co sprawia, że ten się kręci6 . Jednak oddziaływanie wody morskiej ze skałami wytworzonymi z płaszcza nie ogranicza się jedynie do napędzania niepohamowanego wulkanizmu. Prowadzi również do uwolnienia ciepła, a 5 Nazwany tak ze względu na przypominające nieco pokrojem i zielonkawym kolorem wężowe łuski; ang. serpent - wąż. 6 Jest pewna interesująca kwestia związana z konsekwencjami stygnięcia jądra planetarnego. W miarę ochładzania się ziemskiego płaszcza, woda morska w coraz większym stopniu będzie wiązać się ze skałami wewnętrznymi. Jeśli znajdzie się w ich strukturze, nie powróci na powierzchnię (obecnie proces ten jest napędzany przez aktywny wulkanizm). Stygnąca planeta może w ten sposób „wchłonąć" swoje oceany. Niewykluczone, że tak właśnie się stało na Marsie. 20

także słusznej ilości gazów, między innymi wodoru. Właściwie reakcja ta przekształca wszystkie związki rozpuszczone w wodzie morskiej niczym magiczne krzywe zwierciadło odbijające groteskowe, zmienione obrazy i sprawia, że wszystkie substraty stają się „naładowane", czy mówiąc technicznie, „zredukowane". Głównym wydzielanym gazem jest wodór, a to z tego powodu, że woda morska składa się przede wszystkim... z wody; jednak są też mniejsze ilości innych gazów, a ich mieszanina przypomina nieco tę skomponowaną przez Stanleya Millera, która tak świetnie nadaje się do tworzenia prekursorów bardziej złożonych cząsteczek białek lub DNA. Dwutlenek węgla przekształcany jest w metan, azot w amoniak, a siarczan w siarkowodór. Ciepło i gazy przemieszczają się ku powierzchni, uchodząc poprzez kominy hydrotermalne drugiego typu. Różnią się one od black smokers praktycznie pod każdym względem. Nie są kwaśne, a silnie zasadowe. Daleko im do rozgrzanej furii black smokers, choć ich wyziewy są ciepłe lub gorące. Znajdują się też w pewnym oddaleniu od grzbietów śródoceanicznych, gdzie powstaje świeża skorupa oceaniczna. W przeciwieństwie też do pionowych kominów zakończonych pojedynczym otworem, przez który wydobywają się czarne kłęby „dymu", te kominy mają zupełnie inną strukturę. Pełno w nich wewnętrznych przedziałów i pęcherzyków powstających przy kontakcie wody morskiej z rozgrzanymi zasadowymi cieczami wypływającymi z morskiego dna. Przypuszczam, że słyszało o nich tak niewielu ludzi przede wszystkim dlatego, iż sformułowanie „serpentynizacja" brzmi odstręczająco (przypomnę, wywodzi się ono od nazwy minerału serpentynu). Na nasze potrzeby przyjmijmy po prostu termin „kominy zasadowe", nawet jeśli brzmi on niezbyt ekscytująco w zestawieniu z jurnością określenia black smokers. Wagę określenia „alkaliczny" docenimy nieco później. Co ciekawe, choć istnienie kominów zasadowych przewidywano teoretycznie, do niedawna wiadomo było tylko o kilku ich śladach odkrytych w zapisie kopalnym. Chyba najbardziej znany znajduje się w Tynagh w Irlandii, a jego wiek ocenia się na około 350 milionów lat. To właśnie jego skamieniałość w latach osiemdziesiątych zaintrygowała Mike'a Russella. Kiedy pod mikroskopem elektronowym przeanalizował dokładniej próbki porowatych skał pozyskane ze skamieniałego komina, dostrzegł malutkie przedziały podobne do kompartmentów żywych komórek, mierzące w przekroju dziesiątą część milimetra (lub mniej) i połączone w przypominającą labirynt sieć. Zaproponował teorię, że podobne mineralne komórki mogą powstawać, gdy wypływająca z kominów zasadowa ciecz styka się z kwaśnymi wodami oceanu, a wkrótce potem, mieszając alkalia z kwasami, wytworzył w laboratorium porowate, przypominające skały struktury. W krótkim artykule opublikowanym w 1988 roku na łamach "Nature" Russell zauważył, że warunki panujące w zasadowych kominach czynią z nich niemal idealne kolebki życia. Przedziały zapewniają naturalny sposób na zagęszczanie cząsteczek organicznych, podczas gdy ściany komórek, zbudowane głównie z minerałów żelazowo-siarkowych (na przykład makinawitu), mają właściwości katalityczne, czego wagę docenił wcześniej Gunter Wachtershauser. W artykule opublikowanym przez Russella w 1994 roku, czytamy: 21

Życie powstało w powiększających się skupieniach pęcherzyków zbudowanych z siarczku żelaza zawierających zasadowy i silnie zredukowany roztwór hydrotermalny. Bąble te zostały nadmuchane hydrostatycznie przy zasiarczonych podmorskich gorących źródłach umiejscowionych w pewnej odległości od oceanicznych centrów spreadingu (rozsuwania się płyt tektonicznych). Były to wizjonerskie słowa, bowiem w tym czasie podobnego, funkcjonującego w morskich głębinach układu zasadowych kominów jeszcze nie odkryto. Niedługo potem, na przełomie tysiącleci, naukowcy na pokładzie batyskafu "Atlantis" natknęli się na tego typu pole kominów, około 15 kilometrów od Grzbietu Sródatlantyckiego, na zboczu podwodnej góry zwanej, tak się złożyło, Masywem Atlantis. Nieuniknienie pole kominów zyskało nazwę Zaginionego Miasta (Lost City), na cześć Atlantydy, a zbudowane z węglanów delikatne białe kolumny i filary doskonale z tą nazwą współgrały. Nic podobnego wcześniej nie odkryto. Niektóre z kominów dorównywały wielkością swoim czarnym pobratymcom (najwyższa wieża, wznosząca się dumnie na niemal 60 metrów, otrzymała nazwę Posejdon). W przeciwieństwie jednak do kamiennej i wytrzymałej struktury black smokers, białe wieże urzekały delikatnymi, niemal gotyckimi zdobieniami, przywodzącymi na myśl, jak to określił John Julius Norwich7 , „bezwiednie wykonywane szkice". Ryc. 1.3 Obraz mikroskopowy struktury wycinka fragmentu zasadowego komina hydrotermalnego. Wyraźnie widać wzajemnie łączące się ze sobą przedziały, będące idealnym środowiskiem dla narodzin życia. Przekrój ma około centymetra szerokości i 30 mikronów grubości. Tutejsze hydrotermalne wyziewy były bezbarwne, wywoływały wrażenie, że miasto zostało nagle opuszczone i zachowane na wieki w swym zawiłym gotyckim splendorze. Nie były to już piekielne chmury czarnego dymu, lecz wytwory znacznie subtelniejsze, sięgające - obróconymi w kamień palcami - samego nieba (zob. ryc. 1.2). Mogą być niewidoczne, jednak są jak najbardziej prawdziwe - substancje wydostające się z kominów z powodzeniem podtrzymują życie tego miasta. Kominy nie są zbudowane z minerałów zawierających związki żelaza i siarki (żelazo praktycznie nie występuje w bogatych w tlen oceanach, przewidywania Russella odnosiły się do znacznie wcześniejszych czasów), lecz ich 7 Znany angielski historyk i pisarz popularyzujący naukę. 22

struktura jest porowata, przypomina labirynt mikroskopijnych przedziałów o ścianach zbudowanych z aragonitu (formy węglanu wapnia), przybierającego często formy o kształcie pióropusza (zob. ryc. 1.3). Co ciekawe, dawne struktury, dzisiaj już uśpione i niewyrzucające żadnych bulgoczących cieczy hydrotermalnych, są znacznie solidniejsze niż współczesne, ponieważ ich pory pozatykane są często kalcytem. Tymczasem wciąż aktywne kominy zasadowe są pełne bakteryjnego życia, rojącego się w porach ich struktury, w miejscach, gdzie może ono w pełni wykorzystywać chemiczną nierównowagę. Zwierzęta też tam są, a ich zróżnicowanie dorównuje obserwowanemu w bliskości black smokers, choć pod względem rozmiarów znacząco tym ostatnim ustępują. Powody są czysto biologiczne: bakterie siarkowe, doskonale radzące sobie w środowisku black smokers, szybko adaptują się i wchodzą w symbiozę ze swymi zwierzęcymi gospodarzami, natomiast bakterie z Zaginionego Miasta (właściwie archeony) nie wchodzą w takie związki8 . Bez udziału wewnętrznych „farm" żyjące w Zaginionym Mieście gatunki zwierząt nie osiągają równie imponujących rozmiarów, co fauna w środowisku black smokers. Życie w Zaginionym Mieście wykorzystuje tę samą reakcję - wodoru z dwutlenkiem węgla - co niemal całe życie na naszej planecie. Jednak w Zaginionym Mieście, co niezwykłe, przebiega ona bezpośrednio, podczas gdy właściwie we wszystkich innych przypadkach podzielona jest na etapy. Wodór w swej cząsteczkowej, gazowej formie to rzadkie dobro na naszej planecie i życie zmuszone jest na ogół wykorzystywać substraty skrywające go w swej chemicznej strukturze, związanego mocnym molekularnym uściskiem z innymi atomami, tak jak to jest w przypadku wody lub siarkowodoru. „Wyrwanie" z nich atomu wodoru, a następnie połączenie go z dwutlenkiem węgla wymaga energii pochodzącej ze słońca (w ostatecznym bilansie) lub z wykorzystania chemicznej nierównowagi panującej w podwodnym świecie kominów hydrotermalnych. Jedynie w przypadku gazowej postaci wodoru reakcja ta może przebiegać samorzutnie (choć bardzo wolno). Jednak z perspektywy termodynamiki, reakcja wodoru z dwutlenkiem węgla to darmowy lunch, za który ktoś zapłacił, żebyśmy go spożyli - przytaczam słowa Everetta Shocka [profesora z Arizona State University]. Innymi słowy, w wyniku tej reakcji powstają cząsteczki organiczne, a jednocześnie uwalniana jest znaczna ilość energii, która mogłaby być wykorzystana, przynajmniej teoretycznie, do zasilenia innych reakcji, w których powstają związki organiczne. Podsumowując: Russellowskie kominy zasadowe spełniają kryteria kolebki życia. Są częścią systemu przemieszczającego skorupę ziemską i odpowiadają za zjawisko wulkanizmu. Pozostają w wiecznej nierównowadze z oceanami, zapewniając stałe, bulgoczące dostawy wodoru, wchodzącego w reakcję z dwutlenkiem węgla, dzięki czemu powstają związki organiczne. Formują labirynty porowatych przedziałów zatrzymujących i zatężających powstałe związki organiczne, dzięki czemu powstanie polimerów takich jak RNA staje się prawdopodobniejsze (o czym 8 Istnieją dwie grupy prostych komórek prokariotycznych pozbawionych jądra komórkowego: to bakterie i archeony. Zaginione Miasto zasiedlają przede wszystkim te drugie, pozyskujące energię poprzez produkcję metanu (metanogenezę). Biochemia metabolizmu archeonów różni się znacznie od tej w komórkach eukariotycznych roślin i zwierząt. Jak dotąd nie są znane żadne patogeny ani pasożyty wywodzące się z tej grupy; chorobotwórcze są jedynie bakterie, mające sporo wspólnego pod względem biochemicznym z komórkami gospodarza. Być może archeony po prostu zbyt się od nas różnią. Jedynym wyjątkiem jest współpraca nawiązana między archeonami i bakteriami, która doprowadziła do pojawienia się komórki eukariotycznej, około 2 miliardów lat temu - więcej na ten temat w rozdziale 4. 23

przekonamy się w następnym rozdziale). Są długowieczne -kominy Zaginionego Miasta wyrzucają swoje wyziewy od 40 tysięcy lat, dwa rzędy wielkości dłużej niż ich czarne, gorące odpowiedniki. I występowały z pewnością powszechniej na młodej Ziemi, której płaszcz dopiero zaczynał stygnąć, wchodząc w kontakt z oceanami na większą niż dziś skalę. Wtedy też w oceanach nie brakowało związków żelaza i, podobnie jak w skamieniałych kominach z Tynagh w Irlandii, ściany ich mikrokompartmentów zbudowane były z minerałów zawierających atomy siarki i żelaza, mających właściwości katalityczne. Kominy te działałyby niczym naturalne chemiczne reaktory przepływowe, w których gradienty cieplny i elektrochemiczny zapewniają przepływ reaktywnych cieczy poprzez przedziały z katalizatorami. Wszystko to brzmi bardzo pięknie, ale pojedynczy reaktor, choćby i przemyślny, to jeszcze nie życie. W jaki więc sposób rozwinęło się ono z reakcji przebiegających w reaktorze we wszystkie jego obecne wspaniałe, pomysłowe formy? Pewnej odpowiedzi nie otrzymamy, jednak są wskazówki pochodzące z właściwości samego życia, a dokładniej z konserwowanych w ewolucji reakcji wspólnych niemal wszystkim dzisiejszym formom ziemskiego życia. To jądro ciemności metabolizmu, żywa wewnętrzna skamieniałość, zachowująca echa odległej przeszłości, pierwotnego początku życia, które narodziło się właśnie w zasadowym kominie hydrotermalnym. *** Istnieją dwie drogi umożliwiające cofnięcie się w czasie do momentu narodzin życia: pierwszą z nich określić można jako podejście "od A do Z" czy też "od początku do końca", a drugą "od Z do A", czyli "od końca do początku". Do tej pory omówiliśmy pierwszą z nich, prowadząc rozważania na temat warunków geochemicznych i zależności termodynamicznych panujących na wczesnej Ziemi. Ustaliliśmy, że najbardziej odpowiednim miejscem dla narodzin życia były głębinowe kominy hydrotermalne wyrzucające wodór w gazowej postaci do oceanu wysyconego dwutlenkiem węgla. Naturalne reaktory bioelektrochemiczne byłyby zdolne do jednoczesnej produkcji związków organicznych i energii. Dotąd jednak nie zastanawialiśmy się, jakie reakcje miały największe szanse na zajście, ani w jaki też sposób doprowadziły one do pojawienia się życia, które znamy. Jedynych pewnych wskazówek na temat narodzin życia może dostarczyć nam analiza obecnych jego form; innymi słowy zastosowanie podejścia "od końca do początku". Możemy skatalogować charakterystyczne właściwości wspólne wszystkim żywym istotom, a następnie na ich podstawie odtworzyć hipotetyczne cechy najstarszego z przodków o imieniu LUCA (Last Universal Common Ancestor - ostatni uniwersalny wspólny przodek). I tak, na przykład, ponieważ tylko niewiele bakterii przeprowadza fotosyntezę, mało prawdopodobne, by LUCA miał tę zdolność. Gdyby było inaczej, zdecydowana większość jego potomków musiałaby pozbyć się wartościowej cechy, co wydaje się mało prawdopodobne (choć nie można tego wykluczyć z całą pewnością). I na odwrót, wszelkie życie na Ziemi łączą pewne właściwości: komórkowa budowa (z wyłączeniem wirusów, mogących "żyć" jedynie w komórkach gospodarza) oraz ten sam nośnik informacji genetycznej, DNA, na podstawie którego, według uniwersalnych reguł kodu genetycznego, powstają białka. Wszystkie żywe organizmy stosują też wspólną energetyczną 24

walutę: ATP (adenozynotrójfosforan), spełniający funkcję banknotu o nominale 10 funtów, którym można "zapłacić" za wszystkie prace związane z utrzymaniem komórki (więcej na ten temat później). Jednym słowem, możemy wnioskować, że wszystkie żywe organizmy odziedziczyły wspólne dla siebie cechy po LUCA - swoim ostatnim uniwersalnym wspólnym przodku. Wszystkie żywe istoty wykorzystują też grupę tych samych reakcji metabolicznych, na czele z tymi składającymi się na cykl Krebsa (nazwany tak na cześć Niemca, Hansa Krebsa, laureata Nagrody Nobla, który po ucieczce przed nazistami w latach trzydziestych, pracując na University of Sheffield, pierwszy rozszyfrował jego tajniki). Cykl Krebsa zajmuje poczesne i uświęcone miejsce w biochemii, choć całym pokoleniom studentów wydaje się wyjątkiem z zamierzchłej i zakurzonej historii, wymagającym jedynie wkucia na pamięć przed egzaminem i natychmiastowego zapomnienia tuż po nim. Jednak jest coś szczególnego w cyklu Krebsa. W większości zagraconych gabinetów niektórych wydziałów biochemii, tych właśnie, w których stoły zalegają stosy książek i papierzysk, zsuwających się powoli w kierunku kosza i podłogi, często napotkać można przypięty pinezkami do ściany wyblakły, poskręcany przy krawędziach i wyposażony w "ośle uszy" plakat przedstawiający schemat reakcji metabolicznych. Każdy oczekujący na powrót profesora student, zaczyna się mu się w końcu przyglądać, zwykle z mieszanką podziwu i przerażenia. Gąszcz reakcji szokuje swoją złożonością, przywodząc na myśl skojarzenie z mapą londyńskiego metra w wersji stworzonej przez szaleńca, który wzbogacił ją w liczne małe strzałki skierowane we wszystkie możliwe strony i bez końca się zapętlające. Pomimo że wyblakły druk tego nie ułatwia, można w końcu zauważyć, iż strzałki i symbole mają różne kolory, w zależności od metabolicznych szlaków. Białka są czerwone, tłuszcze zielone, i tak dalej. Gdzieś na dole, w centrum rewolty zbuntowanych strzałek, dostrzeżemy małe, ciasne kółko - bodaj nawet jedyne kółko, jedyny uporządkowany fragment mapy. To właśnie cykl Krebsa. I kiedy mu się uważniej przyjrzeć, to można magle skonstatować, że właściwie wszystkie inne strzałki na mapie wychodzą właśnie od niego, na podobieństwo szprych sterczących z uszkodzonego koła. To centrum wszystkiego, metaboliczne jądro komórki. Cykl Krebsa został ostatnio nieco odkurzony. Wyniki badań biomedycznych wskazują na jego kluczową rolę w fizjologii i biochemii komórki. Szybkość obrotów cyklu wpływa właściwie na wszystko, co jej dotyczy, począwszy od procesów starzenia, przez ryzyko zachorowania na nowotwór, na stanie energetycznym komórki skończywszy, największym jednak chyba zaskoczeniem było odkrycie, że cykl Krebsa może też przebiegać odwrotnie. Zwykle w jego trakcie zużywane są cząsteczki organiczne (z pożywienia), a powstaje wodór (przeznaczony do spalenia z tlenem w procesie oddychania komórkowego) i dwutlenek węgla. Zatem cykl dostarcza nie tylko cząsteczki organiczne, substraty dla innych reakcji metabolicznych, lecz także porcyjki wodoru, niezbędne do produkcji energii magazynowanej w ATP. Kiedy cykl przebiega odwrotnie, "zasysany" jest wodór i dwutlenek węgla, powstają zaś cząsteczki organiczne, wszystkie podstawowe cegiełki składające się na budulec życia. Oczywiście, podczas "odwróconego" cyklu energia nie jest już uwalniana, lecz konsumowana. Zapewnijmy jej źródło w postaci ATP, dodajmy 25

dwutlenek węgla i wodór, i jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki w naszym cyklu zaczynają powstawać podstawowe cegiełki życia. Odwrócona wersja cyklu Krebsa nie występuje powszechnie nawet u bakterii. Jest jednak relatywnie często spotykana u bakterii zasiedlających kominy hydrotermalne. To ważny choć może nieco prymitywny sposób na wkomponowanie dwutlenku węgla w cegiełki życia. Jeden z pierwszych biochemików na Yale University, Harold Morowitz, pracujący w Krasnow Institute for Advanced Study w Fairfax w stanie Wirginia, przez kilka lat badał właściwości odwróconego cyklu Krebsa. Doszedł w końcu do wniosku, że - ogólnie rzecz ujmując - w przypadku, gdy biorące w nim udział intermediaty występują w pewnych określonych stężeniach, cykl będzie przebiegał samoczynnie. To niezbyt wyrafinowana chemia. Jeśli stężenie danego intermediatu osiągnie określony poziom, związek ten samoczynnie może zacząć przekształcać się w kolejny z wytwarzanych podczas cyklu Krebsa. Z wszystkich cząsteczek organicznych, to właśnie te uczestniczące w cyklu Krebsa są najbardziej stabilne i z tego względu prawdopodobieństwo ich powstania jest wysokie. Innymi słowy, cykl Krebsa nie był "wynalazkiem" genów, lecz probabilistyki reakcji chemicznych i termodynamiki. Geny, które wyewoluowały później w ewolucji, zaczęły zarządzać procesem, podobnie jak dyrygent kieruje orkiestrą i jest odpowiedzialny za tempo i niuanse muzyczne, nie będąc jednak kompozytorem utworu. Muzyka była tam od samego początku; muzyka sfer. Gdy koło cyklu Krebsa już się obracało, a energia dopływała, reakcje poboczne musiały zajść niemal nieuniknienie i doprowadzić do wytworzenia się bardziej złożonych cząsteczek prekursorowych, takich jak aminokwasy czy nukleotydy. Na ile podstawowe reakcje metaboliczne charakterystyczne dla życia na Ziemi są "produktem" samorzutnie przebiegających procesów, a na ile działania ewolucji, to dobre pytanie, wykraczające poza zakres tematyczny tej książki. Chciałbym jednak wyraźnie podkreślić, że zdecydowana większość prób zsyntetyzowania podstawowych cegiełek życia była nadmiernie "elementarna". Badacze wychodzili od prostych cząsteczek, na przykład cyjanków, niemających kompletnie nic wspólnego z chemią życia w znanej nam postaci (w gruncie rzeczy, cyjanki są dla niego zwykle zagrożeniem) i próbowali otrzymać cegiełki życia, stosując wyładowania elektryczne lub majstrując przy parametrach ciśnienia i temperatury. Wszystko to były pomysły niemające wiele wspólnego z biologią. Co jednak się stanie, gdy zaczniemy od cząsteczek cyklu Krebsa i pewnej ilości ATP i, najlepiej, umieścimy je w reaktorze elektrochemicznym, takim jak proponuje Mike Russell? Ile ze związków przedstawionych na naszym pomiętym plakacie z oślimi uszami powstanie samorzutnie z ingrediencji cyklu Krebsa i wypełni stopniowo, od dna ku górze, formę o wyrafinowanym kształcie cząsteczkami najbardziej "prawdopodobnymi" z perspektywy termodynamiki? Nie ja jeden podejrzewam, że związków tych może powstawać całkiem sporo, wliczając w to być może nawet niewielkie białka (ściślej: polipeptydy) i RNA. Odtąd pałeczkę może już przejąć dobór naturalny. Wszystko to można badać eksperymentalnie, a większość niezbędnych doświadczeń zostanie dopiero przeprowadzona. Jednak, by miały one jakikolwiek sens, potrzebujemy jeszcze 26

porządnego źródła zapewniającego stałe dostawy wspominanego już magicznego składnika: ATP. Bez niego szybko możemy poczuć, że za bardzo wyrywamy się do przodu, próbujemy biegać, zanim jeszcze nauczyliśmy się chodzić. Skąd wziąć ATP? Najbardziej przekonującą moim zdaniem odpowiedź na to pytanie zaproponował znakomity, choć może bez ogródek wyrażający swoje poglądy amerykański biochemik Bill Martin, który swego czasu opuścił Stany Zjednoczone i przyjął stanowisko profesora botaniki na Universitat Dusseldorf. Od tamtej pory stale prezentuje nowe, obrazoburcze poglądy na temat początków niemal wszystkiego, co liczy się w biologii. Część z nich może być błędna, jednak nigdy nie są one banalne, a prawie zawsze zmuszają nas do spojrzenia na kwestie biologiczne z nowej perspektywy. Kilka lat temu Martin porozumiał się z Russellem i wspólnie spróbowali ustalić moment przejścia geochemii w biochemię. Od tego czasu nowe pomysły sypią się jak z rękawa. Przyjrzyjmy się kilku. *** Martin i Russell powrócili do podstaw: drogi, jaką węgiel trafia do związków organicznych. Obecnie - zauważyli - jest tylko pięć metabolicznych szlaków wykorzystywanych przez rośliny i bakterie do wytworzenia materii organicznej i wprowadzenia wodoru oraz dwutlenku węgla w świat ożywiony. Jednym z nich jest wspomniany już odwrócony cykl Krebsa. W czterech z pięciu szlaków zużywane jest ATP (wliczając w to wspomniany odwrócony cykl Krebsa), czyli każdy z nich może przebiegać tylko przy dopływającej energii. Jednak piąty z tej grupy - bezpośrednia reakcja wodoru z dwutlenkiem węgla - prowadzi nie tylko do wytworzenia cząsteczek organicznych, lecz także uwolnienia energii. Dwie grupy organizmów o prastarym rodowodzie przeprowadzają tę reakcję, podzieloną na kilka podobnych etapów. Jedną z tych grup już poznaliśmy: to archeony, żyjące w kominach hydrotermalnych Zaginionego Miasta. Jeśli Martin i Russell się nie mylą, to odlegli przodkowie archeonów przeprowadzali dokładnie te same reakcje w niemal identycznym środowisku 4 miliardy lat temu, u zarania życia. Jednak reakcja wodoru z dwutlenkiem węgla nie przebiega aż tak prosto, jak może się to wydawać, bowiem cząsteczki obu tych związków nie reagują ze sobą spontanicznie. Są nieco „nieśmiałe" i muszą zostać nakłonione do wspólnego tańca przez katalizator. Potrzebują też trochę energii, by ruszyć się z miejsca. Dopiero wtedy mogą się połączyć i uwolnić nieco więcej energii niż zużyły. Katalizator jest wystarczająco mało skomplikowany. Enzymy katalizujące tę reakcję obecnie zawierają żelazo, nikiel i siarkę, tworzące strukturę podobną do tej w minerałach kominów hydrotermalnych. To także wskazuje, że pierwotne komórki po prostu wykorzystały gotowy już katalizator - kolejna cecha świadcząca o naprawdę starożytnym pochodzeniu tej metabolicznej ścieżki nie wymagającej pojawienia się w ewolucji wyrafinowanych białek. Jak ujęli to Martin z Russellem, szlak ten zarysował się na skalistym podłożu. Źródłem energii niezbędnej, by wszystko się kręciło, przynajmniej w świecie kominów hydrotermalnych, okazały się same kominy. Niespodziewany produkt reakcji szkodzi samym 27