Νέα μελέτη φωτίζει τον αρχέγονο ρόλο των μετάλλων στον μεταβολισμό και υποστηρίζει ότι τα Βακτήρια και τα Αρχαία (Archaea)[1] ακολούθησαν ανεξάρτητους δρόμους προς την πλήρως αυτόνομη κυτταρική ζωή.
Η εξέλιξη της ζωής αποτελεί ένα εξαιρετικά απίθανο γεγονός και, απ’ όσο γνωρίζουμε, έχει συμβεί μόνο μία φορά στο Ηλιακό μας Σύστημα. Ή τουλάχιστον αυτό πιστεύαμε μέχρι σήμερα. Σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, η ζωή ενδέχεται στην πραγματικότητα να έχει εξελιχθεί δύο φορές, εδώ, στη Γη.
Πριν εμφανιστεί η ζωή στον πλανήτη μας, οι περιοχές γύρω από τις υδροθερμικές πηγές των ωκεανών δημιουργούσαν ένα περιβάλλον πλούσιο σε χημικές ενώσεις, ένα είδος αρχέγονου «χημικού ζωμού» που θα μπορούσε να ευνοήσει την εμφάνισή της. Πώς όμως αναδύθηκε η ζωή μέσα από αυτό το περιβάλλον;
Για να διερευνήσει το ερώτημα, μια διεθνής ομάδα ερευνητών, με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Heinrich Heine της Γερμανίας, εξέτασε την προέλευση των χημικών αντιδράσεων που επιτρέπουν στους ζωντανούς οργανισμούς να υπάρχουν και να λειτουργούν.
Μία από τις «αδιαπραγμάτευτες ιδιότητες της ζωής», όπως γράφουν οι συγγραφείς, είναι ο μεταβολισμός: ένα σύνολο περισσότερων από 400 πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων, μέσω των οποίων οι οργανισμοί μετατρέπουν την ενέργεια σε μορφές που μπορούν να αξιοποιήσουν. Για να αναζητήσουν λοιπόν τις απαρχές της ζωής, οι ερευνητές επιχείρησαν να ακολουθήσουν προς τα πίσω την εξελικτική ιστορία των ενζύμων που είναι υπεύθυνα για αυτές τις αντιδράσεις.
Τα γονίδια που κωδικοποιούν αυτά τα ένζυμα παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλό βαθμό διατήρησης κατά την εξέλιξη, μέχρι να φτάσουμε σε ένα κρίσιμο σημείο: στον διαχωρισμό μεταξύ βακτηρίων και αρχαίων (Archaea).
Τα αρχαία είναι μονοκύτταροι προκαρυωτικοί οργανισμοί, όπως και τα βακτήρια, αλλά διαφέρουν τόσο από αυτά όσο και από τις υπόλοιπες μορφές ζωής, ώστε να αποτελούν έναν ξεχωριστό εξελικτικό κλάδο. Πολλά από αυτά κατοικούν σε ορισμένα από τα πιο ακραία περιβάλλοντα της Γης, ενώ αρχαία συναντώνται και στο ανθρώπινο έντερο.
«Η έκπληξη είναι ότι τα ένζυμα που καταλύουν αυτές τις αντιδράσεις δεν έχουν διατηρηθεί εκατέρωθεν του εξελικτικού χάσματος που χωρίζει τα βακτήρια από τα αρχαία», ανέφερε ο William Martin, συν-συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine.
«Διαπιστώσαμε ότι ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονος όλων των κυττάρων, ο LUCA (Last Universal Common Ancestor), διέθετε ένζυμα μόνο για περίπου τις μισές από τις αντιδράσεις του μεταβολισμού».
Πώς, λοιπόν, μπορούσε ο LUCA να πραγματοποιεί τις υπόλοιπες μεταβολικές αντιδράσεις και να αξιοποιεί την ενέργεια;
Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι υπόλοιποι «καταλύτες» του μεταβολισμού του δεν ήταν καθόλου ένζυμα. Αντί γι’ αυτά, ο LUCA φαίνεται ότι χρησιμοποιούσε μέταλλα μετάπτωσης, τα οποία υπήρχαν σε αφθονία γύρω από τις υδροθερμικές πηγές και μπορούσαν να επιτελούν παρόμοιο καταλυτικό ρόλο.
«Όσο πιο προσεκτικά εξετάζουμε το ζήτημα, τόσο πιο καθαρά βλέπουμε ότι η πρώιμη βιοχημική εξέλιξη αποτελούσε ένα υβρίδιο ενζυμικών και μεταλλικών καταλυτών», εξηγεί ο Joseph Moran από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα, επίσης συν-συγγραφέας της μελέτης.
Αυτό σημαίνει ότι οι μορφές που προηγήθηκαν του LUCA ενδέχεται να βασίζονταν αποκλειστικά στα μέταλλα για τις χημικές διεργασίες που τους επέτρεπαν να αξιοποιούν την ενέργεια.
Καθώς όμως οι πρώιμες μορφές ζωής άρχισαν σταδιακά να εξαρτώνται λιγότερο από το άμεσο περιβάλλον τους και να αποκτούν μεγαλύτερη βιοχημική αυτονομία, συνέβη κάτι ιδιαίτερα ενδιαφέρον. Τα βακτήρια και τα αρχαία ανέπτυξαν, το καθένα ανεξάρτητα, τα δικά τους νέα ένζυμα, τα οποία αντικατέστησαν τον ρόλο που μέχρι τότε διαδραμάτιζαν τα μέταλλα στις συγκεκριμένες αντιδράσεις.
Και εδώ βρίσκεται η πιο τολμηρή συνέπεια της νέας μελέτης.
«Τα νέα δεδομένα αφήνουν μόνο ένα συμπέρασμα», υποστηρίζει ο Martin. «Οι εξελικτικές γραμμές των βακτηρίων και των αρχαίων πραγματοποίησαν ανεξάρτητα τη μετάβαση προς την ελεύθερη διαβίωση. Μόνο τα κύτταρα που μπορούν να ζουν ελεύθερα είναι ζωντανά. Ας το ονομάσουμε λοιπόν με το όνομά του: βλέπουμε μία προέλευση του γενετικού κώδικα, αλλά δύο προελεύσεις της ζωής».
Η εμφάνιση της ζωής μπορεί πράγματι να αποτελεί ένα εξαιρετικά απίθανο γεγονός. Αν όμως οι κατάλληλες συνθήκες υπήρξαν κάποτε ώστε να συμβεί μία φορά, ίσως τελικά δεν είναι τόσο παράδοξο να αναρωτηθούμε: γιατί να μην μπορούσε να συμβεί και δεύτερη;
Πηγή: Science Advances - Intermediate stages in the origin of metabolism at a phosphorylating hydrothermal vent / DOI: 10.1126/sciadv.aef312
[1] Με τον όρο «αρχαία» εννοούμε τα Archaea (Αρχαία - μια ξεχωριστή ομάδα μονοκύτταρων οργανισμών), έναν από τους τρεις μεγάλους τομείς της ζωής, μαζί με τα Bacteria (Βακτήρια) και τα Eukarya (Ευκαρυωτικά).
