Kaip atsirado gyvybė Žemėje? (II) Universalus jėgos laukas
Опубликовал: Ajjana, 29-07-2012, 11:12, Научно-познавательные / литовский, 7 198
July 26th, 2012 alchemikas
Jėgos laukas
P. Mitchellas iškėlė mintį, kad ląstelėms energiją teikia ne cheminės reakcijos, bet tam tikra elektrovaros jėga – protonų (krūvį turinčių vandenilio branduolių) koncentracijų skirtumas. Protonų krūvis yra teigiamas, todėl jų koncentracijų skirtumai sukuria elektrinį potencialą tarp dviejų membranos pusių – jis gali siekti apie 150 milivoltų. Gali atrodyti, kad tai nėra daug, tačiau šis laukas, veikiantis vos 5 milijoninių metro dalių atstumu, yra be galo stiprus – maždaug 30 mln. vatų metrui. O tai jau prilygsta žaibo išlydžiui.
P. Mitchellas šią elektrovaros jėgą pavadino protonovaros jėga. Atrodytų panašu į terminą iš „Žvaigždžių karų“ – ir tai nebūtų blogas
palyginimas. Iš esmės visos ląstelės visos ląstelės energiją gauna per jėgos lauką, kuris gyvybei Žemėje yra toks pats universalus, kaip ir DNR kodas. Šis milžiniškas elektrinis potencialas gali būti panaudojamas tiesiogiai – pavyzdžiui, judinant žiuželius – arba netiesiogiai – panaudojant reakcijose, kuriose susidaro ląstelių kuru vadinamas cheminis junginys ATP.
Tačiau šio jėgos lauko susidarymo ir panaudojimo mechanizmas yra be galo sudėtingas. Fermentas, gaminantis ATP, yra besisukantis variklis, kuriam energiją teikia įeinantis protonų srautas. Kitas baltymas, padedantis generuoti membranos potencialą – NADH dehidrogenazė – yra tarsi garo variklis, protonus pumpuojantis judančiu stūmokliu. Šie be galo maži ir be galo tikslūs varikliai neabejotinai yra milijardus metų trukusios natūralios atrankos produktai. Jie negalėjo egzistuoti nuo pat pirmųjų gyvybės atsiradimo akimirkų, taigi, mums lieka paradoksalus klausimas.
Gyvybė energiją tiesiog ryte ryja, o šiuo požiūriu neefektyvios prieštvaninės ląstelės energijos turėjo sunaudoti ne mažiau, o kur kas daugiau nei šiais laikais. Tokį didžiulį energijos kiekį jos tikriausiai gavo iš protonų gradiento, nes šio mechanizmo universalumas reiškia, kad jis išsivystė labai seniai, pačioje gyvybės egzistavimo pradžioje. Tačiau kaip anksti gyvybė sugebėjo atlikti tai, ką šiandien atlieka sudėtingi ir metų ištobulinti mechanizmai?
Yra vienas nesudėtingas būdas gauti milžinišką energijos kiekį. Be to, kontekstas suteikia pagrindo manyti, kad tas mechanizmas galėjo atsirasti ir kartu su pirmąja gyvybe.
Šio pasiūlymo autorius – geologas Michaelas Russellas, dabar dirbantis NASA Reaktyvinės stūmos laboratorijoje (JAV). Prieš dvidešimt metų jis tyrinėjo vandenynų dugne esančias hidrotermines angas. Pasakykite „vandenynų dugno angos“ ir žmonėms akyse iškils dramatiškas juodų dūmus leidžiančių povandeninių kaminų, aplink kuriuos rangosi kirminai, vaizdinys, Bet M. Russelas tyrinėjo kur kas kuklesnes šarmines hidrotermines angas, kurios yra visai ne vulkaninės kilmės ir neleidžia jokių dūmų. Jos formuojasi jūros vandeniui smelkiantis į Žemės mantijos uolienas, kuriose gausu elektronų – pavyzdžiui, geležies ir magnio mineralą oliviną.
Olivinas ir vanduo reaguodami sudaro serpentinitą, o šio proceso metu uoliena plečiasi, suskaldo aplinkines uolienas ir į plyšį patenka daugiau vandens, todėl reakcija vyksta toliau. Be to, šio proceso metu susidaro šarminiai skysčiai, kuriuose mažai protonų ir daug vandenilio dujų, o jų šiluma stumia skystį atgal į vandenyno dugną. Kai šis šarminis skystis suraguoja su vėsesniu vandenyno vandeniu, mineralai nusėda ir susidaro iki 60 metrų aukščio kaminai. Tokie kaminai, pasak P. Russello, gali suteikti viską, ko reikia gyvybės inkubavimui. Tiksliau, jie viską suteikė prieš keturis milijardus metų.
Tuomet laisvo deguonies buvo labai mažai, jei jo apskritai buvo, taigi, vandenynuose buvo gausu ištirpusios geležies. Tikriausiai vandenyje buvo ir kur kas daugiau CO2 nei šiais laikais, o tai reiškia, kad vandenynų terpė buvo nestipriai rūgštinė – kitaip tariant, vandenyje buvo protonų perteklius.
Dabar įsivaizduokite kas vyksta tokioje situacijoje. Porėtose angose yra mažučių, tarpusavy susijungusių ląstelės formą primenančių ertmių, kurias riboja tvirtos mineralinės sienelės. Šiose sienelėse yra tų pačių katalizatorių – konkrečiau įvairių geležies, nikelio ir molibdeno sulfidų – kuriuos ląstelės iki šiol naudoja (tik šiais laikais katalizatoriai yra įtraukti į fermentų sudėtį) katalizuojant CO2 konvertavimą į organines molekules.
Skysčiai, kuriuose gausu vandenilio, košia šį mikroporų su katalizatoriais labirintą. Paprastai inicijuoti CO2 ir H2 reakciją yra sudėtinga: būtent su šia problema susiduriama norint surišti CO2 siekiant sumažinti jų lemiamą šiltnamio efektą. Vien katalizatorių gali nepakakti. Tačiau gyvos ląstelės anglį suriša panaudodamos ne vien katalizatorius – jos reakciją valdo ir per protonų gradientą. O tarp hidroterminės angos skysčių ir rūgštinio vandens egzistuoja natūralus protonų gradientas.
Ar tokia natūrali protonovaros jėga galėjo lemti organinių molekulių susidarymą? Tvirtai to teigti dar negalima. Tačiau įsivaizduokime, kad būtent taip ir yra. Ir kokie gi klausimai tokiu atveju atsakomi? Ogi, pasirodo, labai svarbūs. Pašalinus reakcijos tarp vandenilio ir anglies dvideginio barjerą reakcija gali vykti gana sparčiai. Įdomu tai, kad esant sąlygoms, kurios yra tipinės ties šarminėmis hidroterminėmis angomis, kombinuojant CO2 ir H2 ir gaunant molekules, kurių esama gyvose ląstelėse – amino rūgštis, lipidus, cukrus, nukleorūgštis – energija
yra išskiriama.
O tai reiškia, kad gyvybė nėra kažkokia tai paslaptinga antrojo termodinamikos dėsnio išimtis – iš tiesų gyvybė visiškai paklūsta šiam dėsniui. Tai yra neišvengiama planetų disbalanso pasekmė: jose uolienos, kuriose gausu elektronų, plona pluta atskiriamos nuo rūgštinių vandenų, kuriose elektronų mažai, o plutoje esančios poros suteikia galimybę atsirasti elektrocheminėms jėgoms, kurios yra labai panašios į ląstelines sistemas. Planetą iš esmės galima vertinti kaip didelę bateriją, o ląstelę – kaip mažą bateriją, veikiančią iš esmės laikantis to paties principo.
Reikia pripažinti: dar esama žinių spragų, reikia užpildyti daug žingsnių nuo elektrocheminio reaktoriaus, kuris gamina organines molekules iki gyvuojančios, kvėpuojančios ląstelės. Tačiau pažvelkite plačiau. Gyvybei atsirasti reikia labai nedaug elementų: uolienų, vandens ir anglies dvideginio.
Vanduo ir olivinas yra vienos iš labiausiai Visatoje paplitusių medžiagų. Daugelio planetos atmosferų yra daug CO2, taigi, reikia manyti, kad ir šių dujų nestinga. Serpentinizacija yra savaiminis procesas ir turėtų laisvai vykti bet kurioje planetoje, kurioje yra ir vandens, ir uolienų. Todėl galima būtų manyti, kad Visatoje turėtų būti begalė planetų su paprastomis ląstelėmis – galbūt esant tinkamoms sąlygoms gyvybė yra tiesiog neišvengiama. Turbūt nereikėtų stebėtis, kad gyvybė Žemėje atsirado bemaž iškart, kai tik susidarė palankios sąlygos.
O kas tuomet? Paprastai manoma, kad atsiradus nesudėtingoms gyvybės formoms jos, veikiant įvairioms aplinkos sąlygoms, pamažu vystosi į sudėtingesnes formas. Bet Žemėje taip nenutiko. Po paprastųjų ląstelių atsiradimo buvo neįprastai ilgas laiko tarpas – beveik pusė viso planetos amžiaus – kol išsivystė sudėtingesnės gyvybės formos. Be to, iš paprastų ląstelių sudėtingos išsivystė tik vieną kartą per keturis milijardus metų trukusią evoliuciją: tai yra be galo reta anomalija, visiškai netikėtas atsitiktinumas.
Jeigu paprastos ląstelės į sudėtingesnes išsivystė per milijardus metų, tai turėjo atsirasti begalės tarpinių variantų, o kai kurie jų turėtų dar ir iki šiol egzistuoti. Bet jų nėra. Vietoje jų turime milžinišką prarają. Vienoje pusėje yra bakterijos – mažutės ir su santykinai skurdžiu genomu. Jų gyvavimą labai aiškiai valdo atranka, jos savo poreikius apriboja iki minimumo. Jas galima būtų lyginti su naikintuvais. Kitoje pusėje – didžiulės nepaslankios eukariotinės ląstelės – jas šiuo atveju būtų galima lyginti su lėktuvnešiais. Paprasta tipinė eukariotinė ląstelė yra vidutiniškai 15 000 kartų didesnė nei bakterija – atitinkamai skiriasi ir genomo dydis.
www.ateiviai.l
Jėgos laukas
P. Mitchellas iškėlė mintį, kad ląstelėms energiją teikia ne cheminės reakcijos, bet tam tikra elektrovaros jėga – protonų (krūvį turinčių vandenilio branduolių) koncentracijų skirtumas. Protonų krūvis yra teigiamas, todėl jų koncentracijų skirtumai sukuria elektrinį potencialą tarp dviejų membranos pusių – jis gali siekti apie 150 milivoltų. Gali atrodyti, kad tai nėra daug, tačiau šis laukas, veikiantis vos 5 milijoninių metro dalių atstumu, yra be galo stiprus – maždaug 30 mln. vatų metrui. O tai jau prilygsta žaibo išlydžiui.
P. Mitchellas šią elektrovaros jėgą pavadino protonovaros jėga. Atrodytų panašu į terminą iš „Žvaigždžių karų“ – ir tai nebūtų blogas
palyginimas. Iš esmės visos ląstelės visos ląstelės energiją gauna per jėgos lauką, kuris gyvybei Žemėje yra toks pats universalus, kaip ir DNR kodas. Šis milžiniškas elektrinis potencialas gali būti panaudojamas tiesiogiai – pavyzdžiui, judinant žiuželius – arba netiesiogiai – panaudojant reakcijose, kuriose susidaro ląstelių kuru vadinamas cheminis junginys ATP.
Tačiau šio jėgos lauko susidarymo ir panaudojimo mechanizmas yra be galo sudėtingas. Fermentas, gaminantis ATP, yra besisukantis variklis, kuriam energiją teikia įeinantis protonų srautas. Kitas baltymas, padedantis generuoti membranos potencialą – NADH dehidrogenazė – yra tarsi garo variklis, protonus pumpuojantis judančiu stūmokliu. Šie be galo maži ir be galo tikslūs varikliai neabejotinai yra milijardus metų trukusios natūralios atrankos produktai. Jie negalėjo egzistuoti nuo pat pirmųjų gyvybės atsiradimo akimirkų, taigi, mums lieka paradoksalus klausimas.
Gyvybė energiją tiesiog ryte ryja, o šiuo požiūriu neefektyvios prieštvaninės ląstelės energijos turėjo sunaudoti ne mažiau, o kur kas daugiau nei šiais laikais. Tokį didžiulį energijos kiekį jos tikriausiai gavo iš protonų gradiento, nes šio mechanizmo universalumas reiškia, kad jis išsivystė labai seniai, pačioje gyvybės egzistavimo pradžioje. Tačiau kaip anksti gyvybė sugebėjo atlikti tai, ką šiandien atlieka sudėtingi ir metų ištobulinti mechanizmai?
Yra vienas nesudėtingas būdas gauti milžinišką energijos kiekį. Be to, kontekstas suteikia pagrindo manyti, kad tas mechanizmas galėjo atsirasti ir kartu su pirmąja gyvybe.
Šio pasiūlymo autorius – geologas Michaelas Russellas, dabar dirbantis NASA Reaktyvinės stūmos laboratorijoje (JAV). Prieš dvidešimt metų jis tyrinėjo vandenynų dugne esančias hidrotermines angas. Pasakykite „vandenynų dugno angos“ ir žmonėms akyse iškils dramatiškas juodų dūmus leidžiančių povandeninių kaminų, aplink kuriuos rangosi kirminai, vaizdinys, Bet M. Russelas tyrinėjo kur kas kuklesnes šarmines hidrotermines angas, kurios yra visai ne vulkaninės kilmės ir neleidžia jokių dūmų. Jos formuojasi jūros vandeniui smelkiantis į Žemės mantijos uolienas, kuriose gausu elektronų – pavyzdžiui, geležies ir magnio mineralą oliviną.
Olivinas ir vanduo reaguodami sudaro serpentinitą, o šio proceso metu uoliena plečiasi, suskaldo aplinkines uolienas ir į plyšį patenka daugiau vandens, todėl reakcija vyksta toliau. Be to, šio proceso metu susidaro šarminiai skysčiai, kuriuose mažai protonų ir daug vandenilio dujų, o jų šiluma stumia skystį atgal į vandenyno dugną. Kai šis šarminis skystis suraguoja su vėsesniu vandenyno vandeniu, mineralai nusėda ir susidaro iki 60 metrų aukščio kaminai. Tokie kaminai, pasak P. Russello, gali suteikti viską, ko reikia gyvybės inkubavimui. Tiksliau, jie viską suteikė prieš keturis milijardus metų.
Tuomet laisvo deguonies buvo labai mažai, jei jo apskritai buvo, taigi, vandenynuose buvo gausu ištirpusios geležies. Tikriausiai vandenyje buvo ir kur kas daugiau CO2 nei šiais laikais, o tai reiškia, kad vandenynų terpė buvo nestipriai rūgštinė – kitaip tariant, vandenyje buvo protonų perteklius.
Dabar įsivaizduokite kas vyksta tokioje situacijoje. Porėtose angose yra mažučių, tarpusavy susijungusių ląstelės formą primenančių ertmių, kurias riboja tvirtos mineralinės sienelės. Šiose sienelėse yra tų pačių katalizatorių – konkrečiau įvairių geležies, nikelio ir molibdeno sulfidų – kuriuos ląstelės iki šiol naudoja (tik šiais laikais katalizatoriai yra įtraukti į fermentų sudėtį) katalizuojant CO2 konvertavimą į organines molekules.
Skysčiai, kuriuose gausu vandenilio, košia šį mikroporų su katalizatoriais labirintą. Paprastai inicijuoti CO2 ir H2 reakciją yra sudėtinga: būtent su šia problema susiduriama norint surišti CO2 siekiant sumažinti jų lemiamą šiltnamio efektą. Vien katalizatorių gali nepakakti. Tačiau gyvos ląstelės anglį suriša panaudodamos ne vien katalizatorius – jos reakciją valdo ir per protonų gradientą. O tarp hidroterminės angos skysčių ir rūgštinio vandens egzistuoja natūralus protonų gradientas.
Ar tokia natūrali protonovaros jėga galėjo lemti organinių molekulių susidarymą? Tvirtai to teigti dar negalima. Tačiau įsivaizduokime, kad būtent taip ir yra. Ir kokie gi klausimai tokiu atveju atsakomi? Ogi, pasirodo, labai svarbūs. Pašalinus reakcijos tarp vandenilio ir anglies dvideginio barjerą reakcija gali vykti gana sparčiai. Įdomu tai, kad esant sąlygoms, kurios yra tipinės ties šarminėmis hidroterminėmis angomis, kombinuojant CO2 ir H2 ir gaunant molekules, kurių esama gyvose ląstelėse – amino rūgštis, lipidus, cukrus, nukleorūgštis – energija
yra išskiriama.
O tai reiškia, kad gyvybė nėra kažkokia tai paslaptinga antrojo termodinamikos dėsnio išimtis – iš tiesų gyvybė visiškai paklūsta šiam dėsniui. Tai yra neišvengiama planetų disbalanso pasekmė: jose uolienos, kuriose gausu elektronų, plona pluta atskiriamos nuo rūgštinių vandenų, kuriose elektronų mažai, o plutoje esančios poros suteikia galimybę atsirasti elektrocheminėms jėgoms, kurios yra labai panašios į ląstelines sistemas. Planetą iš esmės galima vertinti kaip didelę bateriją, o ląstelę – kaip mažą bateriją, veikiančią iš esmės laikantis to paties principo.
Reikia pripažinti: dar esama žinių spragų, reikia užpildyti daug žingsnių nuo elektrocheminio reaktoriaus, kuris gamina organines molekules iki gyvuojančios, kvėpuojančios ląstelės. Tačiau pažvelkite plačiau. Gyvybei atsirasti reikia labai nedaug elementų: uolienų, vandens ir anglies dvideginio.
Vanduo ir olivinas yra vienos iš labiausiai Visatoje paplitusių medžiagų. Daugelio planetos atmosferų yra daug CO2, taigi, reikia manyti, kad ir šių dujų nestinga. Serpentinizacija yra savaiminis procesas ir turėtų laisvai vykti bet kurioje planetoje, kurioje yra ir vandens, ir uolienų. Todėl galima būtų manyti, kad Visatoje turėtų būti begalė planetų su paprastomis ląstelėmis – galbūt esant tinkamoms sąlygoms gyvybė yra tiesiog neišvengiama. Turbūt nereikėtų stebėtis, kad gyvybė Žemėje atsirado bemaž iškart, kai tik susidarė palankios sąlygos.
O kas tuomet? Paprastai manoma, kad atsiradus nesudėtingoms gyvybės formoms jos, veikiant įvairioms aplinkos sąlygoms, pamažu vystosi į sudėtingesnes formas. Bet Žemėje taip nenutiko. Po paprastųjų ląstelių atsiradimo buvo neįprastai ilgas laiko tarpas – beveik pusė viso planetos amžiaus – kol išsivystė sudėtingesnės gyvybės formos. Be to, iš paprastų ląstelių sudėtingos išsivystė tik vieną kartą per keturis milijardus metų trukusią evoliuciją: tai yra be galo reta anomalija, visiškai netikėtas atsitiktinumas.
Jeigu paprastos ląstelės į sudėtingesnes išsivystė per milijardus metų, tai turėjo atsirasti begalės tarpinių variantų, o kai kurie jų turėtų dar ir iki šiol egzistuoti. Bet jų nėra. Vietoje jų turime milžinišką prarają. Vienoje pusėje yra bakterijos – mažutės ir su santykinai skurdžiu genomu. Jų gyvavimą labai aiškiai valdo atranka, jos savo poreikius apriboja iki minimumo. Jas galima būtų lyginti su naikintuvais. Kitoje pusėje – didžiulės nepaslankios eukariotinės ląstelės – jas šiuo atveju būtų galima lyginti su lėktuvnešiais. Paprasta tipinė eukariotinė ląstelė yra vidutiniškai 15 000 kartų didesnė nei bakterija – atitinkamai skiriasi ir genomo dydis.
www.ateiviai.l
