Επιστημονική προσέγγιση και έρευνα σχετικά με την προέλευση της ζωής

fotos-3

 

Ο Δαρβίνος μετά την δημοσίευση του βιβλίου του για την εξήγηση της δημιουργίας νέων ειδών μέσω της Φυσικής Επιλογής,  υπέθεσε ότι η δημιουργία της ζωής άρχισε μέσα σε ζεστές ρηχές λιμνούλες.  Τα πειράματα του Pasteur έδειξαν ότι η ζωή παράγεται μόνο από ζωή, δηλαδή απέδειξε ότι δεν υπάρχει αυθόρμητη γέ­νε­ση όπως πίστευαν μέχρι τότε. «Κάθε κύτταρο παράγεται από ένα άλλο κύτταρο».  Όμως  πώς έγινε το πρώτο κύτταρο;

Την αρχή όμως της σύγχρονης επιστημονικής έρευνας (τουλάχιστον θεωρητικά) σχετικά με την προέλευση της ζωής την τοποθετούμε στην δεκαετία του 1920 με τη δημοσίευ­ση της ετεροτροφικής υπόθεσης των Oparin-Haldane.

Ο Oparin (1894-1980), Ρώσος βιοχημικός, διατύ­πωσε τη σύγχρονη άποψη της προέλευσης της ζωής σε μια σχετική δημοσίευση βιβλίου του το 1924.  Ήταν η πρώτη προσπάθεια να δοθεί μια χημική εξήγηση της προέλευσης της ζωής μετά τα πειράματα του Pasteur.  Η αγγλική έκδοση του βιβλίου το 1938 είχε μεγάλη επίδρα­ση στην επιστημο­νική κοινότητα των βιολόγων στην Αμερική.

oparin   Oparin

Ανεξάρτητα από τη δημοσίευση του Oparin, το 1929 ο  Haldane δημοσίευσε για το ίδιο θέμα ένα ­ενδιαφέρον άρθρο.

haldane3    Haldane

Το χαρακτηριστικό των δύο αυτών δημοσι­εύσεων ήταν η ετεροτροφική υπόθεση: ότι ο πρώτος οργανισμός ήταν ετεροτροφικός, δηλαδή έπαιρνε τα οργανικά υλικά που χρειαζόταν από το περιβάλλον και δεν τα συνέ­θετε μόνος του. Η υπόθεση αυτή είναι γνωστή ως «υπόθεση Oparin – Haldane».

Και οι δύο πρότειναν ότι η πρωταρχική ατμόσφαιρα στη Γη ήταν αναγωγική, δηλαδή απουσίαζε το οξυγόνο.  Αυτό είναι σημαντικό, γιατί παρουσία οξυγόνου ήταν αδύνατο να σχηματισθούν τα αρχικά μόρια που στη συνέχεια θα σχημάτιζαν πιο πολύπλοκα μόρια με τελική κατάληξη την αρχέγονη ζωή.  Υπήρχαν κάποιες διαφορές μεταξύ των δύο υποθέσεων, όπως για παράδειγμα ο Oparin πρότεινε ότι η πρωταρχική ατμόσφαιρα περιείχε μεθάνιο και αμμωνία ενώ ο Haldane διοξείδιο του άνθρακα και αμμωνία.  Η πρόταση του  Oparin ήταν μάλλον πιο αποτελεσματική για την παρασκευή οργανικών ουσιών από αυτή του Haldane.   Βεβαίως για τη σύσταση της πρωταρχικής ατμόσφαιρας υπάρχουν ακόμα πολλές, συχνά αντικρουό­μενες, απόψεις αλλά οι περισσότεροι ερευνητές που ασχολούνται με τον τομέα της προέλευσης της ζωής δέχονται ότι η αρχική ατμόσφαιρα ήταν αναγωγική.

Για να γίνει μια αντίδραση ως γνωστόν χρειάζεται ενέργεια.  Αλλά υπήρχαν πολλές πηγές ενέργειας: Θερμότητα από τα ηφαίστεια, αστραπές, ραδιενέργεια από τα ραδιοϊσότοπα, φως (που περιλαμβάνει και την υπεριώδη ακτινοβολία) κ.α.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1950 ο H. Urey (Αμερικανός χημικός βραβευμένος με Nobel Χημείας το 1934) έκανε διαλέξεις σε διάφορα πανεπιστήμια για τις ατμόσφαιρες των εξωτερικών πλανητών του ηλιακού μας συστήματος δηλαδή του Δία, του Κρόνου, του Ουρανού και του Ποσειδώνα.  Ο Urey, που χαρακτήριζε μάλιστα τον εαυτό σου ως Κοσμοχημικό, θεωρούσε ότι έτσι θα ήταν και η πρωταρχική ατμόσφαιρα της Γης την περίοδο που δημιουργήθηκαν τα πρώτα μόρια, και τα οποία αποτέλεσαν τους δομικούς λίθους της ζωής.  Προφανώς η ατμόσφαιρα θα ήταν αναγωγική και μια τέτοια ατμόσφαιρα θα περιείχε μεθάνιο, αμμωνία, υδρογόνο και νερό. Ο Urey δεν είχε υπόψη το βιβλίο του Oparin, το οποίο είχε μεν μεταφραστεί στα Αγγλικά το 1938 και είχε ευρεία απήχηση μεταξύ των βιολόγων αλλά δεν ήταν γνωστό στους άλλους  επιστημονικούς κύκλους.

Urey  Urey               Miller Miller

Σε κάποια διάλεξη παρευρίσκονταν και ο φοιτητής χημείας Stanley Miller.   Μετά τη διάλεξη πήγε στον Urey και του πρότεινε στα πλαίσια της διπλωματικής του εργασίας να κάνουν ένα πείραμα προσομοίωσης των συνθηκών της αρχέγονης ατμόσφαιρας της Γης.  Παρά τους αρχικούς δισταγμούς του Urey όπως αναφέρεται στις μελέτες που ασχολούνται με εκείνη την εποχή, διεξήχθη ένα πείραμα που έμελλε να είναι η αφετερία ενός νέου επιστημονικού κλάδου, αυτού που ασχολείται πειραματικά πλέον με την προέλευση της ζωής.  Συγκεκριμένα, όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα, σε μια κυκλική συσκευή εισήγαγαν τα αέρια: μεθά­νιο (CH4), αμμωνία (NH3), υδρογόνο (H2) και ατμούς ύδατος (Η2Ο), ενώσεις που πιστεύεται ότι υπήρχαν στη πρωταρχική ατμόσφαιρα και εκτέθηκαν σε ηλεκτρικές εκκενώσεις οι οποίες μιμού­νταν τους κεραυνούς. Το αποτέλεσμα της έκθεσης του μίγματος αυτών των αερίων στην πιο πάνω διαδικασία ήταν ο σχηματισμός διαφόρων αμινοξέων, καρβοξυλικών οξέων και άλλων χημικών ενώσεων οι οποίες συμμε­τέχουν στη δημιουργία διαφόρων βιομορίων, δηλαδή μορίων από τα οποία αποτελείται ένας ζωντανός οργανισμός.

Εικόνα 4-2 Miller-Urey2   

                                        Σχεδιάγραμμα που πειράματος  Miller–Urey

Τα πειράματα Miller-Urey ήταν ένα ορόσημο για τον τομέα της προέ­λευ­σης της ζωής. Βεβαίως τα πειράματα αυτά αλλά και τα πολλά άλλα που ακολούθησαν από πολλούς άλλους ερευνητές, δεν αποδεικνύουν ότι έτσι έγιναν οι πρώτες αυτές χημικές ενώσεις, αλλά ότι είναι δυνατή η γένεση βιομορίων οπουδήποτε στο Σύμπαν όταν υπάρχουν οι κατάλληλες προϋποθέσεις.

Ας σημειωθεί ότι το 1953 ήταν ένα πολύ σημαντικό έτος για τη βιολογία και γενικό­τερα για τις βιολογικές επιστήμες.  Μέσα σε διάστημα λίγων μηνών οι Watson και Crick δημοσίευσαν τη μελέτη της διπλής έλικας του DNA, ο Sanger και οι συνεργά­τες του για την πρώτη αλληλούχιση αμινοξέων μιας πρωτεΐνης και ο Miller ότι οργανικές ενώσεις  μπορούσαν να συντεθούν κάτω από τις πιθανές συνθήκες της αρχέγονης Γης. (εδώ βέβαια θα μπορούσαμε να ανατρέξουμε στις συνθήκες της χώρας μας την εποχή εκείνη με μελαγχολία – όταν τίθονταν οι βάσεις σε πολλούς νέους τομείς της επιστήμης).

    Τα πειράματα αυτά αποτέλεσαν την αρχή της δημιουργίας του πεδίου της προ­βιοτικής χημείας. Στα χρόνια που επακολούθησαν πολλές από τις οργανι­κές ενώσεις που θεωρούνται αναγκαίες για την προέλευση της ζωής συντέθηκαν στα εργαστήρια και μάλιστα πολλές με συνθήκες παρόμοιες με αυτές των πειραμάτων του Miller. Τα πειράματα αυτά άνοιξαν νέους δρόμους στην πειραματική έρευνα της προ­έλευσης της ζωής.