(НЕ) живото във Вселената

„Да се говори, че е имало време, когато не е имало време е също толкова абсурдно, както и да се говори, че човекът е съществувал, когато не е имало човек, или че този свят е съществувал, когато все още не е съществувал свят.“

Св. Августин „За Божия град“

Един от най-неловките въпроси, на които всеки родител трябва да отговори е „А откъде съм дошъл аз?“. Отговорите варират от натуралистично-реални до анималистично-фантазмени: прословутите „птички и пчелички“. Въпросът придобива съвсем други и доста плашещи измерения, когато се съотнесе към произхода на човечеството. От мистицизма, през религията и науката, този въпрос е получавал и ще получава отговори през цялата неписана и писана човешка история.

С какво тази тема е толкова вълнуваща и защо е толкова важно да стигнем до смислен и правилен отговор? Тук не става дума просто за вроденото човешко любопитство, нито дори за правилното ни позициониране във Вселената. Става въпрос за бъдещето ни – ако не знаем как се е зародил живота, съответно и ние с него, едва ли можем да направим някаква прогноза за развитието му и за стратегиите за оцеляването ни като вид.

Митовете за сътворението са не само забавни в своята изобретателност, уникални характеристики и общи сходства, но са и изключително полезни при антропологичен анализ. Ние обаче ще ги прескочим, заедно с не по-малко интересните религиозни концепции, за да се впуснем в безкрайното поле на научните хипотези по въпроса. А те са не по-малко интересни, разнообразни и може би скоро ще ни позволят да намерим и идентифицираме други форми на живот – едно от тези събития, които променят перспективата и света, какъвто го познаваме.

Всичко започва със супа!

Но не тази, от която се оплакваме в ресторанта, а супата на Александър Иванович Опарин - съветски биохимик , издигнал още през 1924г. хипотезата за абиогенеза: възникване на живота, чрез спонтанно зараждане на органични молекули от неорганични съединения. Опарин твърди, че „първична супа“ от органични молекули може да бъде създадена в атмосфера без кислород под действието на слънчевата светлина. Тези молекули биха могли да се комбинират по все по-сложни начини, докато не образуват коацерватни капчици. Тези капчици биха "нараснали" чрез сливане с други капчици и биха се "размножили" чрез делене на дъщерни капчици, придобивайки примитивен метаболизъм, при който факторите, които насърчават "клетъчната цялост", оцеляват, а тези, които не - изчезват. Година по-късно, Джон Халдейн дава своя принос към бульона, потвърждавайки тезата на своя колега.

Двамата полагат основите на революция в теориите за произход на живота, но дали този възглед е толкова революционно нов? Бегъл поглед назад ни препраща чак до Аристотел, който издига идеята за спонтанно самозараждане, твърдейки, че животът се самозаражда от гниеща органична материя, ако трябва да сме точни само в присъствието на „пневма“ – жизнена топлина. Всички сме чували за поне един от експериментите доказващи тази теза – злополучните опити на Жан Баптист ван Хелмонт, фламандски учен от XVII век, предположил, че мишките могат да възникнат от парцали и пшенични ядки, оставени в отворен контейнер в продължение на 3 седмици. По смущаващ обаче е резултатът на Джон Нийдхам. Той нагрява в продължение на 30 минути инфузии на различни вещества, което би трябвало да убие всичко в тях, но въпреки всичко впоследствие наблюдава голям брой организми в епруветките. Трябва да дойде златната за биологията 1859-та година , в която великият Пастьор се досеща за нещо просто, но ефективно – да повтори експеримента на колегата си, при това използвайки бульон, но да запуши колбата със специална извита запушалка, предотвратяваща достъпа на бактерии.

^{Фиг. 1 Спонтанно самозараждане – биогенеза-абиогенеза. Пътят на научното познание за произхода на живота. В средата е прословутата колба на Пастьор.}

Този път растеж няма – и експериментът е толкова категоричен, че в биологията се утвърждава принципът Omne vivum ex vivo, който поставя категорична граница между живото и неживото. Този привидно затворен кръг на познанието (фиг.1) намира своят изход, чрез експериментите на починалият на днешната дата Фридрих Вьолер.

През 1828 година той пише на Йонс Берцелиус: „Трябва да ви кажа, че мога да произвеждам урея, без да използвам бъбреци на животно, било то човек или куче!“. Вьолер току-що е открил философския камък: превръща неорганичното съединение амониев цианат (NH₄(OCN) в органично – урея ((NH₂)₂CO. Това парченце от пъзела измества границата поставена от Пастьор – да, спонтанно самозараждане няма, защото в момента животът на планетата ни е напълно развит, със завършени екосистеми, но в миналото на Земята, преходът от неживо към живо се е осъществил и първата стъпка в него е била преходът от неорганични към органични съединения.

През 1953а Стенли Милър и Харолд Юри правят известния си експеримент, доказващ че такъв преход е възможен и в далеч по-сериозни мащаби. Охлаждайки реакционна смес от водни пари, амоняк, метан и водород, подложени преди това на нагряване и електрически разряди, те получават смес от органични съединения, между които 5 аминокиселини. Още по-впечатляващ е повторният анализ на запазени колби, съдържащи оригиналните екстракти, извършен през 2011г. при който са идентифицирани 23 аминокиселини.

Статията, макар и престояла близо 5 месеца в редакцията на Сайънс и публикувана седмици след публикацията на Уотсън и Крик, предизвиква огромен отзвук. Търсенето на живота трайно преминава от зоната на мистиката, в сферата на влияние на науката. Най-добро обобщение на етапите на преход от неживо към живо, прави ирландският биохимик Джон Бернал:

⦁ Формиране на биологични мономери (органични молекули, биомаркери).
⦁ Формиране на биологични полимери (нуклеинови киселини и протеини).
⦁ Еволюция от молекули към клетки.

Живот от небето

Вселената е твърде голяма, за да бъдем уникални – това е един мотив в науката, последователно изграден от наблюденията на Коперник, който, както пише на паметника му във Варшава „спря Слънцето и завъртя Земята“, през Дарвин, който ни поставя в контекста на всички останали живи организми и до Хъбъл, който откривайки други галактики, разширява границите на Вселената отвъд мислимото. При това положение, можем ли да приемем, че животът е уникален и присъщ само на Земята феномен? С огромна вероятност отговорът на този въпрос е „не“.

Откриването на екзопланетите и търсенето на Земя 2.0 отдавна не е сред широко тиражираните новини, а междувременно списъкът на потвърдените към 16.09.2020 година набъбна на 4277 планети. Над три хиляди от тях са открити с орбиталния телескоп Кеплер, а неговият наследник ТЕС вече има на сметката си 2240 кандидата. От откритите досега екзопланети 55 са в зоната на обитаемост на своите звезди, което ги превръща в потенциални места с наличие на живот.

Нашата слънчева система се оказа не по-малко интересна за астробиологията: оставяйки настрана обичайните заподозрени като Марс, спътниците Европа, Титан, Енцелад и Тритон, последните новини идват от смятаната за абсурдно негостоприемен свят Венера. Откритият там фосфин (PH₃), считан с голямо основание за биомаркер, не само фокусира медийното внимание по темата, но и има потенциал да преориентира насоките за търсене на живот в рамките на Слънчевата система.

Това, с което обаче най-тясно асоциираме живота, са нуклеиновите киселини. Другият потенциален кандидат са протеините, а въпросът кой от двата ключови биополимера се е появил пръв, е съвременния вариант на дилемата за кокошката и яйцето. Актуалното виждане за най-ранно възникналите биополимери е в полза на нуклеиновите киселини. Хипотезата за РНК свят се основава на автокаталитичните способности на рибозимите – молекули, способни да катализират собственото си възпроизводство. Как обаче да сглобим толкова комплексна молекула? Оказва се, че космосът е изключително богат на органични съединения, които могат да подпомогнат синтезата на протонуклеинови киселини. Това е групата на полициклените ароматни въглеводороди (ПАВ), които заедно с фулерените са най-разпространените полиатомни съединения във вселената.

_{Фиг. 2. Разположена в съзвездието Скорпион, мъглявината Котешка лапичка (NGC 6334) е зона на активно звездообразуване. Зелените облаци са образувани от ПАВ, флуоресциращи под действието на звездното лъчение. Кредит: NASA/JPL-Caltech , Public domain}

Има ги в мъглявини (фиг.2), в междузвездната среда и дори в атмосферата на Титан. Изображението получено с два от инструментите на телескопа Spitzer, дава представа за огромния мащаб в който се простират облаците от потенциални прекурсори на живота. Механизъм, предложен през 2004г. от Симон Николас Платс показва как прото РНК би могла да се синтезира с помощта на ПАВ:

1) прикрепване на азотните бази към скеле от ПАВ. Този етап се благоприятства от еднаквото разстояние между планарните пръстени на нукелотидите и ароматните пръстени на ПАВ - 0.34 nm.
2) прикрепване на олигомерен гръбнак. След като нуклеотидните бази са прикрепени (чрез водородни връзки), малки формалдехидни (метанални) олигомери, се свързват чрез ковалентни връзки с тях, както и помежду си, образувайки гъвкав структурен гръбнак.
3) отделяне на РНК-подобни молекули от ПАВ скелето. Последващ преходен спад на pH на околната среда, отделя молекули с формалдехиден вместо рибозо-фосфатен гръбнак, какъвто е в настоящите НК, но със същото отстояние между базите от 0,34 nm.
4) след като средата стане по-малко киселинна, се образуват стабилни, частично двуверижни РНК-подобни структури, подобни на рибозимите. Олигомерите на формалдехида биват изместени от по-стабилни рибозо-фосфатни молекули което води до образуването на стабилни автокаталитични комплекси.

Като вземем предвид и възможността за пряк синтез на азотната база аденин от вода и циановодород, както и получаването на захари, чрез формозната реакция на Бутлеров имаме всички необходими продукти за получаване на РНК, която да добавим в „първичната супа“. Но нужна ли ни е самата супа? Или можем да погледнем по-назад във времето, преди формирането на планетите, в момент в който молекулярните облаци формират протопланетарни дискове? Ако съпоставим времето, необходимо за преминаване през първите два етапа на Бернал, с времето необходимо за формиране на планета в обитаемата зона, може да се окаже, че възникването на прекурсорите на живота в протопланетарни дискове не е чак толкова екзотична идея. Зоните на планетообразуване около млади звезди на възраст 10 милиона (тип Т-Tauri) и по-масивните от тип Herbig Ae/Be star) са богати на субмикрометрични прахови частици, които постепенно акретират (струпват се) в по-големи тела наречени планетезимали. Преди това обаче, те предоставят една порьозна, грапава повърхност, смесена с ледени кристали и подложена на лъчението на младата звезда в UV и рентгеновия диапазон. Това, представлява реакционна среда, която би могла да замени каталитичните свойства на ензимите, необходими за синтезирането на сложни биоплоимери. Не случайно един от най-прецизните радиотелескопи – интерферометърът (ALMA) Atacama Large Millimeter/submillimeter Array участва в проект по прецизното изследване на 20 ярки близко разположени протопланетарни диска.

^{Фиг. 3. Протопланетарен диск около звездата HL Tauri. Снимката е част от проекта DSHARP. Кредит: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Wikimedia Commons}

Изображението на фиг. 3 е с по-добра ъглова резолюция от аналогични изображения с телескопа Хъбъл, поради това че е заснето в милиметровия диапазон (240 GHz /1.25 mm), който за разлика от видимата светлина не се поглъща от междузвездното вещество. Едва след 60те години на ХХ век, астрономите имат възможност да изучават тъмните и сравнително хладни области в които междузвездната среда се обогатява с все по-комплексни молекули, започвайки от въглероден оксид, метанол или етанол и стигайки до все по-сложни молекулярни видове, включително касаещите произхода на живота.

През 1837г. откривателят на мъглявината Котешка лапичка, астрономът Джон Хершел, едва ли е подозирал, колко емблематично е името на мястото, от което се взира към звездното небе – нос Добра Надежда. Днес, това е надеждата, че животът е по-присъщ на Космоса, че неговите семена са разпилени нашироко в свода над нас, че сме в по-интересна и по-богата на живот Вселена, отколкото някога сме си представяли.

Справка:

⦁ Antígona Segura, James F. Kasting, Victoria Meadows, Martin Cohen, John Scalo, David Crisp, Rebecca A.H. Butler, and Giovanna Tinetti.Astrobiology.Dec 2005.706-725. http://doi.org/10.1089/ast.2005.5.706
⦁ García-Hernández, D., Manchado, A., et al. (2010). Formation of fullerenes in H-containing planetary nebulae. The Astrophysical Journal Letters, 724(1), L39.
⦁ Zhao, L., Kaiser, R. I., et al. (2018). Low-temperature formation of polycyclic aromatic hydrocarbons in Titan’s atmosphere. Nature Astronomy, 2(12), 973-979. doi:10.1038/s41550-018-0585-y
⦁ Platts, S. N. (2004). The PAH World: Discotic polynuclear aromatic compounds as a mesophase scaffolding at the origin of life.

Източници:

⦁ Списък на откритите досега екзопланети ⦁ (https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu).
⦁ Списък на планетите в зоната на обитаемост ⦁ (http://phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog/)
⦁ Проектът DSHARP ⦁ (https://almascience.eso.org/almadata/lp/DSHARP/)

***

Авторът д-р Петър Ефтимов е преподавател е главен асистент в катедра "Цитология, хистология и ембриология“ на Софийския  университет "Св. Климент Охридски". Занимава се активно с популяризация на науката като участва редовно в Софийския фестивал на науката, а през 2016 г. става победител в националния конкурс „Famelab – Лаборатория за слава“. Предстои му да защити и магистърска степен по Астрономия и популяризация на науката.

Още по темата

26/05/2020

Космос

Хиралността на живота на Земята се обяснява с потоци космически частици

19/03/2020

Животът

Открит е произходът на градивните елементи на живота

26/09/2019

Животът

Току-що бе потвърдено, че на Земята е имало живи организми преди 3,5 милиарда години

25/07/2019

Животът

Важно откритие за произхода на живота: Пептидите могат да се образуват без аминокиселини