VITA AZ ÉLET EREDETÉRŐL

Az alábbiakban összefoglalom az élet eredetéről a HMS Beagle című internetes magazinban 1997-ben folytatott vitát. A vita teljes anyaga a következő címen található:

http://www.biomednet.com/hmsbeagle/17/cutedge/overview.htm

A vita résztvevői: Chrystopher Chyba bolygótudós az Arizonai Egyetemről, David Deamer membránbiofizikus a Santa Cruz-i Kalifornia Egyetemről, Andrew Ellington és Kenneth James molekuláris biológusok az Indiana Egyetemről, Jack Farmer exopaleontológus a NASA Ames Kutatóközpontból, valamint John D. Rummel tengerökológus és -evolúciótudós a Woods Hole-i (Massachusetts) Tengerbiológiai Laboratóriumból. A vitavezető Michael Meyer biológiai óceanográfus és az extrém környezetek tudósa volt, aki jelenleg a NASA Exobiológiai Programjának igazgatója.

A vita öt napos volt, mindegyik napon más kérdéssel foglalkoztak. A következőkben a saját szavaimmal, tömörítve közlöm, melyik résztvevő mit mondott a vitában. Tehát nem szó szerinti fordításról van szó!

1. NAP: HOL KEZDŐDÖTT AZ ÉLET?

A vitát Chris Chyba indította meg azzal a gondolattal, hogy mivel ma már az ősrobbanás, a Nagy Bumm elmélete általános elfogadást nyert, tehát mai tudásunk szerint a világegyetemnek volt kezdete, így szükségkeppen az életnek is egyszer el kellett kezdődnie. Ha az univerzumnak nem lett volna kezdete, akkor felvethetnénk, hogy talán az élet is öröktől fogva létezik, és pánspermia (égitestek közötti átvitel) útján terjed bolygóról bolygóra. John Rummel ehhez kapcsolódóan azt mondta: Bárhol keletkezett is az élet, tudjuk, hogy egyszer valahol keletkezett. Úgy véli, hogy az élet csaknem mindenütt létrejöhet, ahol a megfelelő körülmények megteremtődnek; nem kell hozzá több informació, mint amennyi egy szénatomban van.

Chris Chyba részletesebben foglalkozott a pánspermia lehetőségével. Csillagrendszerek között a pánspermia nehezen képzelhető el, mert az utazó élőlényeknek több millió éven át kellene utazniuk erős sugárzás alatt. De a bolygók közötti pánspermia könnyen elképzelhető: a NASA kísérletei szerint egyes baktériumok évekig bírják a világűrbeli viszonyokat. Amikor egy bolygóba meteor csapódik, az kiüthet egy kődarabot, s ez elszállíthatja az életet egy másik bolygóra. Az élet keletkezhetett például a Marson is, és oda-vissza cserélődhetett akár többször is a Mars és a Föld között. John Rummel szerint a Földön minden megvolt az élet keletkezéséhez: sokféle környezet és kezdőfeltétel, többféle energiaforrás más-más amplitúdóval, valamint a megfelelő anyagok (szén, hidrogén, nitrogén, oxigén, foszfor és kén, azaz CHNOPS). Így a pánspermia hipotézisére tulajdonképpen nem volna szükség. Viszont a pánspermia nagyon érdekes lehetőségeket vet fel. Több bolygón is létrejöhetett az élet, több helyen elindulhatott az evolúció, és időről időre más bolygóról érkezett élőlények, anyagok is befolyásolhatták a fejlődés menetét. A földtörténet korai szakaszaiban igen sok meteorit, tűzgömb és kisbolygó hullott a földre, egész zápor, tehát a bolygóközi pánspermia valószínűsége elég nagy volt. Ma már nehéz eldönteni, tényleg bekövetkezett-e; csak más bolygók felderítése által kerülhetünk közelebb a válaszhoz.

Miután kitárgyalták a pánspermiát, a résztvevők a Föld felé fordították figyelmüket. Ha az élet a Földön jött létre, akkor ezen belül vajon hol, milyen körülmények között? Chris Chyba elmondta, hogy RNS-szekvenciák elemzései alapján az első élőlények feltehetően melegkedvelő organizmusok voltak, úgyhogy az élet talán melegben keletkezett. De az is lehet, hogy nem melegben jött ugyan létre az élet, hanem volt a földtörténetben egy nagy felmelegedés, s ezt csak a melegkedvelő lények éltek túl. A két lehetőség között nehéz dönteni. Andrew Ellington közbevetette: az RNS-szekvenciák elemzései többféle ok miatt nem biztos, hogy teljesen megbízhatóak, szóval a hőmérséklet kérdése még nyitott. Chris Chyba folytatta: szintúgy nem tudjuk, hogy a felszínen vagy a mélyben keletkezett, mindkét lehetőség problémákat vet fel.

David Deamer igyekezett a konkrétumok felé terelni a beszélgetést. Nézzük meg, mondta, hogy milyen fizikai és kémiai törvények érvényesülnek a mai élő rendszerekben, és okoskodjunk visszafelé. Az alapelv az, hogy az élet olyan önszerveződési folyamat eredményeként keletkezett, amelyben egyszerű molekulák biofizikai erők hatására egyre bonyolultabb szupramolekuláris rendszerekké szerveződtek, s ezek végül felvették az élő állapot sajátosságait. Azaz képesek voltak táplálkozni, energiát felvenni a környezetükből, s ezt kémiai kötésekben megkötni, ezáltal növekedni. Kellett tartalmazniuk információhordozó molekulákat, és a növekedés (egyfajta anyagcsere) folyamatait katalizaló molekulákat. Ebből kiindulva hol keletkezhetett az élet? Erre nézve több hipotézis létezik, a három leggyakrabban emlegetett környezet a forróvízű kitörés (gejzír), a part menti, sekély, dagály által feltöltött, langyos tavacska, valamint a jéghegyek olvadékvíze.

Deamer három szempont alapján ítélte meg ezeket a lehetőségeket: (1) Az önszerveződési folyamatok nagyon érzékenyek a környezeti feltételekre (hőmérséklet, pH, ionerősség, redoxpotenciál), tehát valószínűleg az ilyen szempontból legjótékonyabb helyszín a legkedvezőbb. (2) A kémiai reakciók csak a reagensek nagyobb koncentrációjánál mennek végbe előnyösen, ezért szükség van valamilyen koncentráló mechanizmusra. (3) A biofizikai és biokémiai folyamatoknak van egy optimuma, ez a mai élőlényeknél közepes hőmérsékleteknél, közepes pH-knál és kis ionerősségnél van, így feltehető, hogy az élet keletkezése is ilyen körülmények között történt. E három szempont alapján a partmenti, dagály által feltöltött, langyos tavacskák tűnnek az élet keletkezése legvalószínűbb helyének. A forróvízű kitörés túl forró és nem biztosítja a koncentrációt, a jéghegy olvadékvize túl hideg.

Chris Chyba ellenvetést fogalmazott meg: szerinte a földi bioszférát még nem jellemeztük kellően ahhoz, hogy megmondhassuk, mi a tipikus, mi a legkedvezőbb. Mostanában kezdjük felismerni, hogy a földfelszín alatt (akár több kilométerrel is) rengeteg mikroorganizmus él, a felszínitől teljesen különböző körülmények között. Ezek teljes tömege elérheti a felszíni biomassza tömegét. A föld alatti élővilágról nagyon keveset tudunk. A föld alatti élőlények túlélhették az egykori kisbolygó-becsapódásokat is, mikor a felszín akár több ezer fokra is forrósodhatott. Találtak olyan föld alatti mikroorganizmust, amely a bazaltból felszabaduló hidrogént fogyasztja és szén-dioxidot használ elektronakceptorként. Az élet keletkezhetett a Föld mélyén is, de ha a felszínen keletkezett, akkor is levándorolhatott a mélybe. Talán a Mars belsejében ma is van élet, amely a felszínről vándorolt le az egyre zordabbá való felszíni viszonyok hatására. Sőt, talán minden bolygó belsejében lehet élet! Deamer azt felelte, hogy az önszerveződést létrehozó erők a leggyengebb molekuláris erők, úgyhogy ha voltak egyáltalán mérsékelt környezetek az ősi földön, akkor az élet nagy valószínűseggel azokban jött létre, nem pedig extrém környezetben.

Jack Farmer felsorolta, mi minden nehezíti meg a válaszadást az élet keletkezési helyét firtató kérdésre. (1) A kéreglemezek állandó megújulása (a földköpenybe való beolvadása és újraszilárdulása) miatt az élet keletkezésének történetét rögzítő kőzetek ma már egyszerűen nincsenek meg. (2) A nukleinsav-szekvenciák alapján konstruálható törzsfejlődési fák megbízhatósága korlátozott az egyenlőtlen evolúciós sebességek és a laterális géntranszfer (mikroorganizmusok közötti génátvitel) miatt. (3) A korai földtörténetben nagy katasztrófák történhettek (pl. kisbolygók becsapódása, s ezt követő erős felmelegedés), melyek eltörölték a nyomokat. Igy hát nem tudjuk, hogy hidegben vagy melegben, a felszínen vagy a mélyben keletkezett-e az élet. Az élet keletkezésenek helyére nézve számos különféle hipotézis van, mind elég jól alátámasztva kísérleti megfigyelésekkel vagy modellekből származó megfontolásokkal, de mindegyik vitatott. Jobban meg kell még értenünk az ősföld viszonyait és az élethez vezető kémiai rendszerek lehetőségeit ahhoz, hogy eldöntsük, mi a helyes válasz. Azt viszont tudjuk a Föld és a Hold geológiai vizsgálataiból, hogy az élet nagyon gyorsan (par szaz millió év alatt) létrejött, nagyjábol a heves meteorzápor idoszakának véget erésekor (újabb izotopvizsgálatok szerint 3,87 milliárd évvel ezelőtt). Ebből arra lehet következtetni, hogy az élet többször is létrejött, aztán nagy katasztrófák (pl. becsapódások) mindig eltörölték, míg egyszer végül megvetette a lábát.

Jack Farmer egyúttal felvázolta a fent vázolt problémák megkerülésének egy érdekes lehetőségét. Jó lenne ugyan a Földön találni valami megbízható fosszíliát vagy más molekuláris nyomot az élet keletkezésének idejéből, de erre kevés az esély, és meteoritokon szintén legfeljebb egyszerű szerves vegyületeket lehet találni. Ellenben más, földszerű bolygókon érdemes volna kutakodni. Ilyen a Mars. Ott sokkal régebbi kőzetek is még megvannak, s ha ott keletkezett valaha élet, nyoma is maradhatott. Még érdekesebb lenne olyan helyekre menni, ahol feltehetően még ma is zajlik valamiféle szerves szintézis, pl. a Titán (a Szaturnusz egyik holdja) legkörében, az Európa (a Jupiter egyik holdja) felszín alatti óceánjaiban vagy a Mars felszín alatti víztározóiban, esetleg nagy aszteroidák, üstökösök vizes magjában. Ezek a kutatások segíthetnek dönteni a lehetséges alternatívák között. A NASA programja igazodik ezekhez a szempontokhoz.

Andrew Ellington új kérdést vetett fel. Az is érdekfeszítő kérdés, hogy hogyan fejlődik tovább az élet, ha már egyszer kialakult. Vajon lehetne-e csinalni egy "fertőzési" kísérletet? Nehány baktériumot elszórnánk egy teljesen szűz bolygó felszínén, és megnéznénk, mi lesz belőle. Csak arra kell figyelni, hogy olyan helyre vigyük, ahol van folyékony víz. Chris Chyba válasza némiképp elbátortalanító volt: a Naprendszer minden olyan helye, ahol folyékony víz van, a földitől teljesen különböző élet potenciális forrása lehet, ez pedig rendkívüli érték a tudomány számára. Csak akkor lenne szabad probálkoznunk egy ilyen hely földi élettel való "megfertőzésével", ha halálbiztosak vagyunk benne, hogy semmiféle egyéb élet nincsen ott. Erről pedig igen nehez meggyőződni! Ez az egyik ok, amiért egyelőre a Marsra sem volna jó embert küldeni: előbb meg kéne győződni, hogy tényleg nincs-e valamiféle bioszférája, mielőtt elkezdünk sétalgatni rajta.

2. NAP: MILYEN VOLT AZ ŐSI, PREBIOTIKUS FÖLDI KÖRNYEZET?

A 2. nap vitaja azzal kezdődött, hogy Michael Meyer vitavezető két kommentárt fűzött az 1. napi vitához. (1) Többen is beszéltek a Marsról, de senki sem említette a Vénuszt, holott az is kedvező hely lehetett az élet keletkezéséhez. (2) Egyes termodinamikai számítások szerint a forróvíz-kitörések (amelyeket David Deamer elvetett, mint az élet keletkezésének lehetséges helyszínét) megiscsak kedvezőek lehettek, mert hőmérsékleti gradiens alakul ki a környezetükben, s ez kedvez a polimerizációs folyamatoknak és az energiaforrást is biztosítja.

Az első felvetesre John Rummel válaszolt: a Vénusz sajnos túl forró ahhoz, hogy az élet keletkezésének nyomai fennmaradhassanak rajta.

A következő vitapont az volt, vajon volt-e szükség földönkívüli eredetű szerves anyagokra az élet keletkezéséhez. Chris Chyba kifejtette, hogy az 50-es években elvégzett, híres Miller-Urey kísérletek soran (melyben egy gázkeveréket gerjesztettek szikrákkal) ugyan számos szerves vegyület jött létre, ma már azonban ezeket a kísérleteket nem tartják relevánsnak, ugyanis (1) a Miller-Urey-féle gázkeverék (az ősi légkör modellje) a szenet metán formájában tartalmazta, márpedig sokkal valószínűbb, hogy az ősi légkörben a szén szén-dioxid formájában volt jelen, (2) a Miller-Urey-féle légkör a Nap ultraibolya sugárzása hatására viszonylag gyorsan lebomlott volna (noha ez nem feltétlenül igaz, ugyanis egy nagy magasságú szmogréteg kialakulása ezt kivédhette, ugyanezt látjuk ma a Szaturnusz Titán nevű holdján!). Szén-dioxidban gazdag légkörben igen nehezen megy végbe a fontos prebiotikus szerves vegyületek szintézise, ezért joggal feltételezhetjük, hogy ezek a szerves vegyületek a Földön kívülről érkeztek (pl. üstökösökből és aszteroidákból származó bolygóközi porrészecskékkel). De ez a lehetőség is problémákat vet fel, egyrészt kérdéses, hogy elegendő mennyiségben érkeztek-e ezek az anyagok, másrészt ma még nem ismerjük elég jól a bolygóközi por által szállított szerves anyagokat.

David Deamer is a kívülről érkező szerves anyagok szerepével foglalkozott. Ha a mai bioszférában körforgást végző összes, szerves vegyületekben kötött szenet egyenletesen eloszlatnánk a Föld felszínen, akkor egy 1 mm vastag szénréteget kapnánk. Ezzel szemben a kőolaj és kőszén formájában jelen lévő szén ugyanígy eloszlatva több méteres réteget képezne. Az élet keletkezésének időszakában pedig 100 millió év alatt a mikrometeoritok kb. annyi szerves anyagot szállítottak a Földre, hogy az abban levő szén egyenletesen eloszlatva mintegy 20 cm-es réteget képezne. Ez azért elég soknak tűnik az 1 mm-hez képest, persze ha egy évre vonatkoztatva számoljuk, akkor csak kb. egy molekulányi réteget jelent. Ráadásul a mikrometeoritokkal leginkább polimerizálódott, policiklikus aromás szénhidrogének érkeznek, és sajnos aminosavak, purinok és alifas szénhidrogenek csak elenyészően kis mennyiségben fordulnak elő rajtuk, pedig az élethez vezető önszerveződési folyamathoz ezek kellettek.

De ezt másképp is lehet nézni. Ha évente egy molekulányi rétegben érkeztek a szerves anyagok, és ezek zömmel szénhidrogének voltak, akkor -- mivel a szénhidrogének nem oldódnak bele az óceánokba, hanem réteget képeznek a vízfelszínen -- a tengerpartok mentén a hullámzás hatására felgyűlhettek. Az olajos lerakódás beboríthatta a partmenti lávaképződményeket, s ott erős ultraibolya sugárzás érte, miközben az árapály miatt hol kiszáradt, hol megnedvesedett. Mint kísérletekből tudjuk, ilyen körülmények között egy sor fotokémiai reakció indul be, melyek eredményeképpen hosszú láncú alkoholok és savak jönnek létre. Az ilyen, lipidszerű molekulák pedig képesek membránokka szerveződni. Érdemes volna tehát alaposabban foglalkozni a policiklikus aromás szénhidrogének fotokémiájával, mert releváns lehet az élet keletkezése szempontjából, talán meg a fotoszintézis egy egyszerű formáját is ki lehetne mutatni. Sajnos ezt a lehetőséget ma csak kevesen kutatják.

Jack Farmer az ősi Föld geológiai viszonyairól értekezett. Az élet keletkezésének időszakában valószínűleg nem voltak még nagy földrészek, tehát nem voltak hosszú, sekély partvonalak sem. De a lemeztektonikai ciklus sokkal dinamikusabb volt a mainál, ezért feltehetően sok kisebb, vulkanikus eredetű szigetív létezhetett, és ezek partjain lehettek langyos vízű, sekély tavacskák (amelyek az élet keletkezésének valószínű helyszínei).

Az óceánok levegő-víz határfelülete persze még sokkal nagyobb lehetett, s mivel nem voltak nagy földrészek, a mainál jóval nagyobbak lehettek a hőmérséklet-különbségek. A sarkok körül a hideg évszakban nagyon kiterjedt jégsapka keletkezhett (a jég olvadékvize az élet keletkezésének egy másik lehetséges színhelye).

Sajnos ennél pontosabban ma nem tudjuk behatárolni, hogy milyen lehetett az ősi Föld, mert egyszerűen nincsenek, nem maradtak fenn geológiai nyomok. Így egyszerűen nincs rá okunk, hogy az élet keletkezésének lehetséges forgatókönyvei közül bármelyiket is kizárjuk. Sőt, az is könnyen elképzelhető, hogy az élet nem is egyféle környezetben keletkezett, hanem egymástól függetlenül, többféle módon, több különböző környezetben is létrejöttek élő rendszerek. Ha így történt, akkor erről nagyon nehéz lesz meggyőződni itt a Földön. Más bolygókat kell felderítenünk.

A 2. nap vitáját Chris Chyba zárta a következő gondolatokkal. A földönkívüli eredetű szerves anyagok esetleges szerepét azért nem tudjuk ma jól felmérni, mert kevéssé ismerjük ezeket az anyagokat. A Giotto űrszonda megvizsgálta a Halley-üstököst, és azt találta, hogy a tömegének mintegy 25%-a szerves anyag lehet, de hogy milyen szerves molekulákból áll, azt nehéz megállapítani. A bolygóközi porrészecskék is mintegy 10%-nyi redukált szénből állnak, bár itt nagy az ingadozás. Csak a meteoritokat ismerjük jobban. A széntartalmú meteoritok, az ún. szenes kondritok tömegének néhány százaléka szerves anyag, és ebből 0,1-1% aminosavak formájában van jelen. A többi szerves anyag zömmel komplex heteropolimer, amelyeket nem szoktak az élet keletkezése szempontjából fontosnak tekinteni, de David Deamernek igaza lehet, hogy talán mégis az. Mellesleg a földi szerves szintézis laboratóriumi szimulációiban is sok ilyen komplex szerves vegyület keletkezik, tehát ezek az anyagok a Földön is létrejöhettek. Ez megintcsak kicsit megkérdőjelezi a külső eredetű szerves anyag szerepét; ma még nem lehet e kérdésben tisztán látni.

3. NAP: MI VOLT AZ ELSŐ ÖNREPLIKÁLÓ EGYSÉG?

David Deamer a "replikáció" szó jelentését elemezte, majd pontosította a vitakérdést: "önreplikáló egység" alatt molekulák olyan rendszerét értjük, amely (1) energia felhasználásával képes növekedni úgy, hogy kisebb molekulákat polimerizál, (2) valamilyen formában olyan információt tartalmaz, amely irányítja a növekedési folyamatot, továbbá átadódik a polimerek egyik nemzedékéről a következőnek. Ilyen rendszert már laboratóriumban is sikerült előállítani: Joyce, Szostak és mások készítettek olyan RNS-amplifikációs rendszert, amely pontosan megfelel a fenti definíciónak, sőt, egyfajta darwini szelekció révén molekuláris szinten még evolúcióra is képes! Persze senki nem állítja, hogy ez a rendszer az élő állapot minden sajátosságát mutatja, hiszen a rendszer csak kémcsőben működik, ami (akár egy sejthártya) egy helyen tartja a reagenseket, s a kémcső nyílásán keresztül a kutató (a helyi isten) energiát és tápanyagokat visz a rendszerbe. A rendszerben levő enzimek pedig nem reprodukálódnak, úgyhogy a rendszer működése egyre lassul, majd leáll. Viszont megvan a remény arra, hogy valamiféle ribozimszerű RNS-ek segítségével a rendszer maga is szert tegyen a szükséges katalitikus funkciókra. Ha ez sikerül egyszer, akkor meglesz az első laboratóriumi önreplikáló molekularendszer.

De vajon hogyan jöhetett létre ilyesmi az ősi Földön? Ez már kemény dió! Az RNS igen törékeny molekula, az RNS-t és a megfelelő tápanyagokat tartalmazó rendszerek pedig még inkább sérülékenyek. Megfelelő környezetben (pl. dagály által feltöltött, langyos tavacska), ahol adszorpció és párolgás által koncentrálódhattak az összetevők, megvolt a folyamatos energiaellátás (fény) és valamiképpen kontaktusban maradhattak a molekulák (pl. egyszerű membránzsákokban), talán mégis létrejöhetett ilyen rendszer. Sok-sok kísérletre volna még szükség ahhoz, hogy megtudjuk, mennyire nehéz ilyen körülmények között önreplikáló rendszer kialakulása.

Jack Farmer utalt a polimerizációs reakciókkal kapcsolatos problémákra, s elmondta, hogy ezek a problémák némileg enyhíthetők, ha feltételezzük, hogy a reakciók ásványi felületeken mentek végbe. Ha alacsony vízaktivitású közegben zajlottak a folyamatok, akkor nem jelent problémát az RNS-molekulák hidrolízissel szembeni érzékenysége.

Különösen a fémszulfidok nyújthatnak megfelelő felületeket a szerves szintézishez. Russell és munkatársai mutattak rá a vulkanikus környezetben fellelhető forróvíz-kitörések lehetséges szerepére: ezekben a buborékokat kolloid állapotú vas-szulfid burkolja be. E buborékok falai képesek katalizálni a szerves vegyületek szintézisét, miközben egyúttal egyfajta sejtmembránként is szolgálnak. A "membrán" két oldala között pH-gradiens alakulhat ki, amely elősegítheti a buborékokon belül zajló polimerizaciós reakciókat. Wachterhauser pedig azt ismerte fel, hogy a vas-szulfid szervetlen oxidációja során hidrogén szabadul fel, ez pedig reakcióba lép a piritfelületeken megkötött szén-dioxiddal, ily módon szerves vegyületek keletkeznek. Meg kell még említeni a Cairns-Smith-féle agyagtemplát-modellt is, amely önreplikaló rendszer alapja lehet. Vegső soron azt mondhatjuk, hogy az ásványi felületek döntő fontosságúak lehettek az ősi szerves szintézis, a polimerizáció és az önreplikáció szempontjából.

David Deamer az ásványi felületeken folyó katalízissel kapcsolatban elmondta, hogy Jim Ferris és Gustaf Arrhenius jelentős sikerrel tárta fel a különböző agyagfelszínek katalitikus tulajdonságait. De az ezeken szintetizálódó komplex szerves vegyületek még nem önreplikáló egységek, az agyagfelületek csak a monomerek szintézisét és a polimerizációt segítik. Az ásványi felszínek elősegítik, hogy a külső forrásból származó energia felhasználásával a reagensek felfelé mozduljanak el az energiafelületen, pl. a monomerek vízkilépés mellett polimerré álljanak össze. A víznek azonban vissza is kell térnie, mert az élethez szükséges reakciók csak vízben mehetnek végbe, s ha az összes víz távozik, akkor csak egy ragadós hártyánk lesz az ásványi felületünkön. A visszatérő víz viszont újra a polimerek lebomlásának irányába hat; az élet csak azért képes fennmaradni, mert a bonyolultabb molekulák kinetikusan csapdába esnek, mihelyt felkerültek a magasabb energiaszintre, s már nehezen képesek lejönni onnan.

Chris Chyba a polimermolekulák bomlékonyságával kapcsolatos problémákat elemezte. Mindenféle reakció gyorsabban zajlik le magasabb hőmérsékleten, csakhogy a magasabb hőmérsékleten a keletkezett vegyületek elbomlása is gyorsabb. A polimerek különösen könnyen bomlanak, tehát ezek megmaradásához inkább az alacsony hőmérsékletek kedvezőek. Még nehezebb probléma, hogy egyáltalán hogyan jönnek létre a polimerek? Mivel a legtöbb polimerizációs reakció vízkilépéssel jár együtt, vizes közegben a monomer-polimer egyensúly erősen a monomerek javára van eltolódva. A polimerek kialakulásához valami másra van szükség, és bár ezzel kapcsolatban sok ötletet megvizsgáltak már, egyik sem teljesen meggyőző.

David Deamerrel egyetértésben Chrys Chyba is úgy vélte, hogy a Joyce és Szostak által elkészített rendszerek nem élő rendszerek, hiszen nem tartalmazzák a replikaciójukhoz szükséges enzimeket kódoló genetikai információt. Meg kell jegyezni persze, hogy ugyanilyen alapon a vírusokat sem tekinthetjük élőnek, hiszen azoknál sem beszélhetünk "genetikai teljességről". De ha ezt a gondolatmenetet továbbvisszük, komoly problémákba ütközünk az élet definícióját illetően, hiszen mi, emberek sem vagyunk képesek fennmaradni bizonyos olyan anyagok nélkül, amelyeket más élőlények állítanak elő és mi magunk nem tudjuk létrehozni őket. Tehát mi magunk sem vagyunk "genetikailag teljesek", mégis élők vagyunk. Hol kell akkor meghúzni a határt az élő és az élettelen rendszerek között?

David Deamer ezzel kapcsolatban úgy vélte, hogy helyesebb, ha a tárgyalást a legegyszerűbb életformákra korlátozzuk, mert ezek lehetnek a legközelebb a legelső élő rendszerekhez. Ezek közül némelyik genetikailag teljes: egyes bakteriumoknak csak kötött nitrogénre, szén-dioxidra és energiaforrásra van szükségük ahhoz, hogy növekedjenek és szaporodjanak. Más baktériumok, az ún. VBNC-k, azaz az élő, de nem tenyészthető ("Viable But Not Culturable") baktériumok az élet minden jelét mutatják, de nem szaporodnak! A szaporodás, a genetikai információ replikációja tehát nem feltétlenül szükségszerű velejárója az életnek. Chris Chyba ezzel egyetértett, s megemlítette, hogy Freeman Dyson szerint elképzelhető, sőt valószínű, hogy az élet kialakulása során a reprodukció kialakulása megelőzte a replikáció kialakulását, vagyis először valamiféle reprodukálódó anyagcsere-rendszer jött létre, s ez csak később "tanulta meg", hogy a genetikai információt hogyan lehet replikálni. Magát az "RNS-világot" is meg kellett előznie valamifele "életnek".

Jack Farmer szintén válaszolt a genetikai teljességgel kapcsolatban felvetődött kérdésekre. Szerinte az első élő rendszereknek nem kellett genetikailag teljeseknek lenniük. Az ősi Földön sok önreplikáló rendszer indulhatott be, de majdnem mindegyikük idővel leállt, pl. mert kisbolygó-becsapódás miatt felforrt az óceán, vagy megváltozott a környezet, vagy a folyamat maga felhasználta az önreplikációhoz szükséges összes nyersanyagot. Ahhoz, hogy egy önreplikáló rendszer végül fennmaradhasson, valamiféle kezdetleges ökológiai rendszerre lehetett szükség. Az első, tartósan fennmaradó önreplikáló rendszer ebbe az ökológiai rendszerbe illeszkedhetett, ezért nem kellett genetikailag teljesnek lennie: környezete szolgáltathatott számára számos szükséges anyagot.

A 3. napi vitát Andrew Ellington szokatlan gondolatai zárták. Mi van, ha nincs is olyan, hogy élet? - kérdezte Ellington. Mindig azt mondjuk, hogy mi élünk, csakhogy ehhez a szóhoz egy csomó érzelem kötődik, s talán ezért olyan nehéz definiálnunk az életet magát. Végül azon vesszük észre magunkat, hogy inkább költészetről, mint tudományról vitatkozunk. Vannak replikálódó és vannak nem replikálódó dolgok; ne húzzunk mesterséges határvonalat a "replikálódó" molekulák és a "reprodukálódó" sejtek köze.

Ellington számára a Joyce által vizsgált, folyamatosan evolválódó RNS molekula áll a legközelebb egy olyan molekulához, amelyet ő már ösztönösen élőnek nevezne. A molekula képes mozogni a szekvenciatérben, képes felhalmozni a számára előnyös mutációkat, s eközben nem igényel külső beavatkozást az istenszerű kísérletező részéről, legfeljebb folyamatos táplálást. Még valamiféle homeosztázisról is beszélhetünk az ilyen rendszernél: újabb kísérletek szerint létezhetnek olyan variánsok, amelyek saját szintézisüket úgy irányítják, módosítva saját szekvenciájukat, hogy replikációjuk alkalmazkodjon az éppen aktuális oldatbeli viszonyokhoz, s maximális legyen benne. Ez persze evolúciós időskálán zajló homeosztázis (mutaciók által történik), nem pedig az organizmus időskáláján zajló (nem az anyagcsere révén történik az alkalmazkodás). A ribozimek homeosztázisa tehát nem ugyanaz, mint a sejtek homeosztázisa, de ez talán nem lényegi különbség, csak komplexitásbeli. Ellington laboratóriumában kifejlesztettek olyan ribozimeket is, amelyek alakja (konformációja) effektor molekulák hatására megváltozik, ez pedig már a valódi sejtes homeosztázissal egyenértékű jelenség lehet, ha reproduktív előnyhöz is vezet -- dolgoznak ilyen rendszer kifejlesztésén is.

4. NAP: MILYEN INFORMÁCIÓK HIÁNYOZNAK AZ ÉLET EREDETÉVEL KAPCSOLATBAN?

A 4. napot Michael Meyer vitavezető hozzászólása nyitotta meg. Meyer három részkérdéssel foglalkozott. Elsőként a mai élőlények genetikai felépítéséből kikövetkeztethető evolúciós törzsfáról mondta el, hogy annak alapján ma az élőlényeket három nagy csoportba osztjuk: baktériumokra, eukariótákra és archeontákra. Ezek közül az archeonták a legrégebbiek, és túlnyomórészt melegkedvelőek. Mai gondolkodásunkat ez a tény nagyban befolyásolja, de jobb, ha óvatosak vagyunk, mert a további genetikai elemzések a mai ismert törzsfát még előre nem látható módon átrendezhetik.

A második részkérdés a prebiotikus szerves monomerek eredetének kérdése. Egy időben erről sokat vitatkoztak, de igazából nem ez a döntő kérdés, ugyanis jól tudjuk, hogy két lehetőség van: a monomerek vagy az ősi Földön szintetizálódtak (amint ennek lehetőségét a Miller-Urey típusú kísérletek mutatják), vagy pedig a világűrből érkeztek. Az utóbbi lehetőség szempontjából rendkívül fontos lenne további üstökösminták elemzése. Sajnos egyelőre csak mintegy féltucat szenes meteoritot vizsgáltak meg, és a polipeptid-tartalmat pedig ezek közül is csak egyben ellenőrizték. További minták elemzése óriási jelentőséggel bírhat.

De akárhonnan származtak is, a szerves monomerek mindenképpen jelen voltak az ősi Földön. Az igazi rejtély az, hogy vajon hogyan polimerizálódtak? A jelentős hozamú polimerizáció mechanizmusa továbbra is nyitott kérdés, és az eddig felállított sokféle hipotézis egyike sem ad megnyugtató választ.

Harmadik megjegyzésében Meyer kifejtette, hogy ugyan könnyen lehet, hogy a nagyon közeli jövőben a biológusok olyan RNS-rendszereket állítanak majd elő, amelyek kielégítik a "darwini" élet definícióját, azonban ez nem jelenti feltétlenül azt, hogy ez az életforma az ősi Földön létrejott élet megfelelő modellje. Életet mesterségesen előállítani valószínűleg könnyebb, mint megválaszolni azt a kérdést, hogy itt a Földön hogyan jött létre az élet.

David Deamer azt mondta, neki hosszú listája van az élet keletkezésének feltárásához szükséges, de ma meg hiányzó információkról. A legfontosabb talán az, hogy egy plauzibilis módot találjunk a polimerek keletkezésére. Nem tudjuk, hogyan jöttek létre a szén-szén kötések. Nem tudjuk, mi volt a kötött nitrogén forrása és mi volt a foszfát forrása. Jó lenne tudni, hogyan keletkeztek a hosszabb láncú szénhidrogének, melyekből a membránok felépülnek. Jó lenne tudni, mik voltak az első pigmentmolekulak. És jó lenne, ha valaki megmutatná, hogy a laboratóriumban előállított modellek működőképesek plauzibilisebb prebiotikus körülmények között, pl. tengervízben is. Úgy gondoljuk, hogy az élőlények közös őse melegkedvelő lehetett, de még senki sem próbált meg meleg vízben prebiotikus kémiai kísérleteket végezni.

A monomerek polimerekké szintetizálódásával kapcsolatban egy sereg probléma lép fel. A monomerek koncentrációja nagyon alacsony lehetett, ráadásul a körülmények sem kedveztek a polimerizációnak. Vajon miféle koncentráló mechanizmus működhetett? És a monomerek hogyan válogatódtak szét, tehát pl. egy aminosav honnan "tudhatta", hogy neki egy másik aminosavhoz kell kötődnie, és nem mondjuk valami más vegyülethez?

Chris Chyba rögtön válaszolt is ezekre a kérdésekre. Az ősóceánban a monomerek valóban irtó kicsi koncentrációban lehettek jelen, úgyhogy ma már nem nagyon hisszük azt, hogy az élet az óceánban keletkezett. Koncentráló mechanizmusokat egyébként nem nehéz kitalálni (pl. a szárazföldön párolgó tavacskák), de nem tudunk dönteni közöttuk, és valahogy kissé "ad hoc" magyarázatoknak tűnnek.

Végső soron a koncentráló mechanizmus problémája nem tűnik megoldhatatlannak. Sokkal aggasztóbb a specificitás kérdése, vagyis hogy hogyan történt, hogy éppen a megfelelő monomerek kapcsolódtak össze? Shapiro egy egész könyvet írt, melyben éppen ezen az alapon bírálta a "prebiotikus" laboratóriumi kísérleteket.

Egyébként meg kell jegyezni, hogy az ősóceán valószínűleg nem volt sós, azaz nem volt benne olyan sok nátrium-klorid, mint ma. A legnagyobb koncentrációban valószínűleg magnézium-szulfát és nátrium-szulfát volt benne. Az ősóceán összetételével is keveset foglalkoztak eddig az élet eredetének kutatói.

John Rummel azt a kérdést vetette fel, hogy vajon hogyan jöttek létre a nukleinsavakat tartalmazó membránzsákok? Erre nézve semmilyen meggyőző modellt nem hallott még.

David Deamer erre rögtön válaszolt is. Ha a nukleinsavak membránzsákokba burkolódnak, az mindkét molekulafajta számára előnyös lehet, mert stabilizálják egymást a diszperziós erőkkel szemben. Ez mindkét molekulafajta "túlélési" esélyét növelné. Azt, hogy ez tényleg megtörténhet-e, laboratóriumban könnyen lehet ellenőrizni, és ha más nem csinálja meg korábban, akkor ő, Deamer majd megcsinálja. Andy Ellington üdvözölte ezt a tervet.

Jack Farmer az élet eredetének geológiai nyomaival foglalkozott. A kéreglemezek reciklizációja miatt sajnos e téren nagyon korlátozott a kutatások lehetősége, inkább más bolygókon érdemes kutakodni. Ennek ellenére a geológusok itt a Földön is képesek újabb és újabb, figyelemreméltó eredményeket produkálni. Mojzsis és munkatársai például a Grönland melletti Aikilia szigeten, az Ishua sziklákból származó kőzetmintákat elemeztek. A szénizotópokat vizsgálták újfajta, lézeres elemző módszerrel. Az üledékes foszfátszemcsékben található szén elemzése azt mutatta, hogy a sziklák keletkezésekor már volt élet a Földön. A későbbi datálás pedig azt adta, hogy ezek a sziklák 3,87 milliárd évesek. További vizsgálatuk még sok érdekes tényre deríthet fényt!

Hasonlóan értékes munkát végzett Roger Buick, aki a tengermélyi kőzetekből származó karbonátmintákat elemezte, továbbá ősi rétegekben kőolajzárványokra bukkant, melyek lehetővé tehetik biomarkerek azonosítását az új, nagy érzékenységű módszerekkel. Egyszóval talán még itt a Földön is nagyon sok felfedezés vár ránk!

Andy Ellington ismét a polimerizáció problémájához szólt hozzá. Orgel és Joyce kimutatta, hogy a monomerek egyenkénti hozzáadásával történő replikációt az "őslevesben" gyakorlatilag lehetetlenné teszi az a tény, hogy a monomereknek a tükörképi párja (enantiomerje) is jelen van a keverékben. Ebből sok szerző arra a következtetésre jutott, hogy akkor a prebiotikus replikáció valószínűleg nem mononukleotid epítőkövek segítségével történt, hanem valami teljesen másféle monomerek segítségével. Pedig ez nincs feltétlenül így. Az őslevesben valószínűleg voltak rövid oligonukleotidok, és mint von Kiedrowski kimutatta, ezek képesek replikációra. A hosszú láncok pedig létrejöhettek a rövid oligonukleotidok összekapcsolódásával is, és ezzel egy csomó probléma megoldódik, pl. a tükörképi párok problémája is. Kísérletesen kimutatták, hogy az enantiomerikusan nem tiszta oligonukleotid vagy oligopeptid szubsztrátok képesek mintául szolgálni az enantiomerikusan tisztább oligonukleotidok vagy oligopeptidek replikációjához! Az oldat tehát önmagától képes "feltisztulni", és így sok, korábban megoldhatatlannak hitt probléma megoldódhat!

Chris Chyba az enantiomerek problémájának egy másik lehetséges megoldásáról beszélt. Nem biztos, hogy az ősleves racem keverék volt (vagyis hogy a tükörképi pár molekulákat egyenlő arányban tartalmazta). Cronin nemrégiben egy meteoriton található aminosavakról kimutatta, hogy az egyik tükörképi pár (az L típusú) 10%-nyi többletben van jelen a másikhoz (a D típusúhoz) képest. Ha a Földön kívülről érkezett szerves monomerek fontosak voltak az élet keletkezéséhez, akkor lehet, hogy ezek eleve nem racem keverékként érkeztek, az egyik tükörképi pár többségben volt, így a polimerizációnál is könnyebben jöhettek létre az enantiomerikusan tiszta polimerek.

Andy Ellington ezután a Joyce és mások által létrehozott, ribozimet tartalmazó, folyamatos evolúcióra képes rendszer szédítő lehetőségeit vázolta fel. A rendszer egy ribozim ligázon alapul (olyan RNS, amely enzimatikusan képes más RNS-ek összekapcsolását katalizalni). Szükség van még hozzá enzimekre, nukleotidokra és meghatározott pufferoldatra, de ha ezek megvannak, akkor mutációk révén képes a környezetehez való gyors alkalmazkodásra, lényegeben darwini evolúcióra! Ezen a rendszeren még rengeteg mindent lehetne vizsgálni. Nagyon érdekes lenne tudni, hogyan befolyásolják ezt a ribozimevolúciót a különféle külső tényezők. Kismolekulák, pl. aminoglikozidok hathatnak az evolúció sebességére és a mutációkra. Érdemes lenne a membránok hatását is megvizsgálni. Egyesek persze bírálhatják ezeket a kísérleteket azon az alapon, amelyen általában minden "in vitro" evolúciós kísérletet lehet: elég bonyolult őslevest és rengeteg valószínűtlen eseményt tételeznek fel. Arra azonban alkalmasak lehetnek ezek a kísérletek, hogy olyan általánosabb összefüggéseket vezessünk le belőlük, amelyek egyszerűbb replikátorokra is alkalmazhatóak lehetnek.

5. NAP: HOGYAN FOGJUK FELISMERNI A FÖLDÖN KÍVÜLI ÉLETET?

Az ötödik nap vitáját David Deamer hozzászólása nyitotta meg. Amikor Földön kívüli életről beszélünk, nem feltétlenül egy fényévekre lévő, kék bolygóra kell gondolnunk, hanem gondolhatunk sokkal közelebbi égitestekre is, pl. a Marsra. Az élet méretei pedig a molekuláris méretektől kezdve a mikroszkopikus organizmusokon keresztül egészen a helyi és a globális bioszféráig terjedhetnek. Hogy minek alapján ismerhetjük fel az élet nyomait? Kereshetjuk a stabil izotópokat, a molekuláris biomarkereket, vizsgálhatjuk a kiralitást, a fosszilis maradványokat, valamint az egyensúlytól távoli állapotokat, mint amilyen a saját, oxidáló légkörünk. De még ezzel a sokféle eszközzel sem feltétlenül érhetjük el a teljes bizonyosságot. A nemrégiben a Földre hullott marsi meteorittal kapcsolatban, amelyen egyes tudósok az élet nyomait vélik felfedezni, még ma sincs egyetértés.

Chris Chyba szerint valamivel könnyebb a dolgunk akkor, ha a távoli bolygóról anyagmintákat hozhatunk a Földre. Ilyenkor csupán a minta kiválasztására kell ügyelni. Ha viszont nem hozhatunk anyagmintát a Földre, akkor nagyon nehez dolgunk van. A Viking űrszondák elsősorban az anyagcsere jeleit probálták észlelni. Nem rossz gondolat egy mikroszkóp Marsra vitele sem, bár a morfológia önmagában nem feltétlenül perdöntő. Ha szerencsénk van, mozgás közben is láthatjuk a mikroorganizmusokat.

Az ilyesféle ötleteket tesztelni lehetne a Vosztok-tó segítségével. Ez a tó 4 km-re az Antarktisz jege alatt fekszik, és több tízmillió év választja el a felszíntől. Vajon van-e ökoszisztémája? Mielőtt mintát hozunk belőle, tesztelhetünk más eljárásokat rajta.

Jack Farmer is úgy vélte, hogy az életet annak alapján lehet felismerni, amit csinál, és nem elsősorban a formája vagy az összetétele alapján. Paul Davies az életet a komplex kémiai rendszerek emergens (létrejövő) tulajdonságaként írja le: az élő rendszerek alkotórészei nem élők, de komplex kölcsönhatásaikból létrejön az élet. Felismerjük az életet, ha látjuk az élőlényt növekedni, mozogni, kommunikálni, szaporodni, elpusztulni. A probléma az, hogy csak a földi életet ismerjük. Vajon képesek lennénk-e másféle életformákat is felismerni?

A morfológiai jellemzők önmagukban nem feltétlenül elegendőek az élő rendszerek felismeréséhez, kivéve, ha az adott élőlény már számottevő morfológiai és viselkedésbeli komplexitást ért el. Egy bonyolult, többsejtű élőlénynek általában olyan formája van, amelyet csak növekedő, élő rendszerek tudnak létrehozni (bár itt is lehetnek kivételek, a fraktálok pl. szintén igen komplex formákat alakítanak ki).

Andy Ellington az evolúcióbiológia szemszögéből közelítette meg a kérdést. Ha azt akarjuk tudni, van-e egy másik bolygón élet, a következő kérdésekre kell válaszolnunk: (1) Megvannak-e a bolygón az élet keletkezésének feltételei? (2) Van-e olyan komplex, önreprodukáló rendszer, amely úgy fest, mintha beépítette volna magába a történeti változásokat? (3) Lehet-e ilyen komplex, önreprodukáló állapotot mesterségesen létrehozni? (Ha az adott körülmények között igen, akkor az alátámasztja az élet keletkezéset az adott bolygón.)

Andy Ellington még egy kérdést fölvetett, amely az élet definíciójával állt összefüggésben. Vajon el tudunk-e képzelni olyan élő rendszert, amelyre nem jellemzőek a létező élőlények tulajdonságai? Létezhet-e példaul olyan élet, amely sok mindenben hasonlít a többi élőlényre, csak éppen nem szaporodik? Ellington úgy veli, hogy igen. El tud kepzelni egy olyan lényt, amely a komplexitását akkreció (gyarapodás) útján növeli, nem pedig evolúció útjan -- mint az a sci-fi robotfigura, amely az útjába eső egyéb robotoktól újabb és újabb áramköröket gyűjt be. Egy ilyen lény kifejleszthet olyan tulajdonságokat, mint a viselkedés, a homeosztázis, az anyagcsere, stb. -- csak éppen nem szaporodik. Ha még a szaporodás sem okvetlenül az élet kritériuma, akkor eléggé bajban vagyunk az élet felismerésével is.

David Deamer erre a felvetésre reagálva elmondta, hogy az első eukarióta sejtek valószínűleg tényleg ilyen módon "gyarapodtak". Az egyik mikroorganizmust bekebelezte egy másik, nagyobb mikroorganizmus, s az így létrejövő, komplexebb élőlény megkezdte saját evolúciós menetelését.

Chris Chyba szintén Ellington iménti felvetésére reagált. Mint már korábban is szó volt róla, Freeman Dyson szerint az anyagcsere eredetét külön kellene választani a replikáció eredetétől. Egy olyan egység, amely anyagcserét folytatott, de nem replikálódott, olyan lehetett, mint amilyet Ellington leírt. Csábító lenne az ilyen rendszert élőnek nevezni, de az élet (ma igen népszerű) "darwini" definíciójának nem tesz eleget (eszerint az élet eredete ugyanaz, mint a darwini evolúció eredete).

Az ötnapos vita ismertetésének ezzel végére értem.

Ez a file itt található: http://www.enzim.hu/~szia/eletvita.html

Szilágyi András