Charles Darwin biológus egy barátjának írt levelében, néhány bekezdésben felvázolt egy elméletet arról, hogy miképpen jelent meg az élet a Földön. Százötven évvel később megállapíthatjuk, hogy közel járt a valósághoz, mellesleg elmélete legalább egy évszázaddal megelőzte korát – írja a BBC tudományos rovatában Michael Marshall szakíró, akinek nemrégiben jelent meg az élet eredetéről szóló könyve (The Genesis Quest).
Charles Darwinnak meglehetősen sok jó ötlete volt. Leghíresebb a természetes szelekció útján megvalósuló evolúció elmélete, amely sok mindent megmagyaráz, amit a földi életről tudunk. De sok más kérdésen is elgondolkodott. Az egyik barátjának küldött levélben, néhány hevenyészett sorban felvázolta elképzelését arról, hogy miként alakulhatott ki az első élő sejt. Körülbelül 150 évvel később a levél figyelemre méltónak tűnik – talán még prófétikusnak is.
A közhiedelemmel ellentétben nem Darwin vetette fel elsőként a fajok fejlődését. Az 1800-as években sokakat foglalkoztatott az elképzelés, hogy az állatpopuláció idővel változik, így például a zsiráfoknak hosszabb nyaka van, mint távoli őseiknek.
Darwin legfontosabb hozzájárulása az evolúció mechanizmusának felvázolása volt: a természetes kiválasztódás. Eszerint az egy fajba tartozó állatok versenyeznek egymással az élelemért, a menedékért és végső soron a szaporodás képességéért. Csak a legalkalmasabbak – vagyis azoknak, amelyek a legjobban alkalmazkodnak a környezetükhöz – reprodukálódnak, és így előnyös tulajdonságaikat átörökítik a következő generációba, és egyre gyakoribbá válnak. Tehát, ha a hosszú nyak használata hasznos a zsiráfok számára, generációkon át a hosszabb nyakú zsiráfok addig szaporodnak, amíg el nem érik az optimális hosszúságú nyakat. Darwin ezt a fajok eredetéről szóló 1859-es opusában fejtette ki.
Az evolúció ténye sugall valamit arról, hogyan kezdődhetett az élet. Az evolúció feltételezi, hogy a látszólag különálló fajok valójában távoli rokonok, egyetlen közös őstől származnak. Például legközelebbi élő rokonaink a csimpánzok: közös ősünk legalább hétmillió évvel ezelőtt élt. Sőt, minden élő szervezet végső soron egyetlen ősi populációból származik: az Utolsó Egyetemes Közös Őstől (Luca), amely több mint 3,5 milliárd évvel ezelőtt élt, amikor a bolygó újjáalakult.
Az evolúció elmélete azonban nem árul el semmit arról, hogyan alakult ki az élet: csak azt mondja el, hogy a létező élet hogyan és miért változik.
Hogyan kezdődött az élet?
Az élet eredetének kutatása csak az 1950-es években kezdődött. Addigra sok tudós sejtette, hogy az élet az óceánokban kezdődött. Az ötlet az volt, hogy a fiatal Földön sok szénalapú vegyszer képződött és oldódott fel az óceánban, amely sűrűvé és koncentrálttá vált: az úgynevezett „ősleves”. Ezt az 1920-as években javasolta egy Alexander Oparin nevű szovjet biológus. 1953-ban egy fiatal amerikai diák, Stanley Miller kimutatta, hogy az aminosavak, a fehérjék építőkövei, létrejöhetnek egy egyszerű készülékben, amely az ősóceánt és -atmoszférát utánozza.
Az az elképzelés, miszerint az élet az óceánban kezdődött, évtizedekig tartotta magát, de felmerült egy nyilvánvaló probléma. Az óceánok hatalmasak, így ha keletkezik mérhetetlen mennyiség a szén-alapú vegyületekből, évekig sodródhatnak anélkül, hogy találkoznának. Egyszerűen túl sok a víz, és túl kevés az benne úszó molekula.
Az egyik sokat vitatott alternatíva az, hogy az élet olyan lúgos „kürtőkben” kezdődhetett, mint az Atlanti-óceán közepén fekvő Lost City.
Ott a tengerfenék alól forró és ásványi anyagokban gazdag víz szivárog át a sziklákon, és kísérteties fehér tornyokat képez. Az ilyen kürtők gazdag vegyienergiaforrások, amely táplálhatták az első organizmusokat. Apró szépséghibája ennek a hipotézisek, hogy egy 2020 májusában közzétett áttekintés szerint „aminosavak vagy nukleobázisok közvetlen szintézise” – mindkettő nélkülözhetetlen az élethez mai ismereteink szerint – bizonyíthatóan még nem jött létre ilyen körülmények között.
Ez visszavezet minket Darwinhoz.
Levél egy baráthoz
Darwin soha nem írt a könyveiben arról, hogyan kezdődött az élet, de magánjellegű beszélgetéseiben spekulált a témáról. A legfontosabb dokumentum egy levél, amelyet 1871. február 1-jén írt közeli barátjának, a természettudós Joseph Dalton Hookernek. Ez a levél már majdnem 150 éves. Rövid – mindössze négy bekezdés -, és nehezen olvasható Darwin pókhálószerű kézírása miatt. Darwin a közelmúltban végzett penészkísérletek rövid megvitatása után felvázolt egy hipotéziskezdeményt:
„Gyakran mondják, hogy az élő organizmus első létrejöttének minden feltétele megvan, ami valaha is fennállhatott. De ha (és ó, milyen nagy ha) elképzelhetnénk, hogy valamilyen meleg kis pocsolyában, mindenféle ammóniák és foszforsók, fény, hő, elektromosság stb. jelenlétében, kémiailag egy fehérjevegyület képződött, készen arra, hogy még összetettebb változásokon menjen át, manapság az ilyen anyag azonnal felemésztődne vagy felszívódna, ami nem történt volna meg az élőlények létrejötte előtt.”
Darwin felvetése szerint az élet nem a nyílt óceánban kezdődött, hanem egy kisebb, vegyi anyagokban gazdag szárazföldi víztömegben. Ez további kibontást igényel, részben azért, mert több ötlet is keveredik: úgy tűnik, mintha Darwin írás közben gondolta volna át a hipotézisét. De az alapötlet meglehetősen egyszerű.
Darwin hipotézisek lényegében az ősleves-teória, de egy előnye van: egy kisebb medencében minden oldott vegyi anyag koncentrálttá válik, amikor a víz elpárolog a nap melegében. Az élet vegyi anyagainak kezdeti szintézise a fény, a hő és a kémiai energia valamilyen kombinációjával menne végbe.
Sok szempontból Darwin ötlete reménytelenül hiányos, de nem hibáztatható ezért. Még a nukleinsavak, például a DNS felfedezése előtt írt, mielőtt a biológusok bármit megértettek volna a gének működéséről, és amikor az élő sejtek belső működése nagyrészt rejtély volt. Darwin úgy képzelte, hogy az élet egy fehérjével kezdődik, amikor senki sem tudta valójában, mi a fehérje: a tudomány csak sokkal később, 1902-ban értette meg, hogy a fehérjék valójában aminosav-láncok.
Azonban Darwin elméletének a váza ma is érvényes, és sok kutató meg van győződve arról, hogy ez a legjobb magyarázat az élet eredetére.
Hő és fény
Amerikai és nemet kutatók az elmúlt években bebizonyították, hogy komplex nukleinsavak szintézisének teljes forgatókönyve megvalósítható. Számos bizonyíték van arra, hogy a napfényben lévő ultraibolya sugárzás előidézheti a legfontosabb biológiai vegyi anyagok képződését – különösen az RNS-t, a DNS-hez hasonló nukleinsavat, amelyről úgy gondolják, hogy az első élet megteremtésének döntő eleme volt. Ilyen folyamatok csak jól megvilágított helyeken történhetnek – ami ismét egy kis víztömegre mutat, nem pedig a mély tengerre.
Lena Vincent, a Wisconsin-Madison Egyetem munkatársa ugyanakkor kimutatta, hogy ha a vegyi anyagok az ásványi anyagok felületén vannak, „nagyobb valószínűséggel reagálnak és érintkeznek egymással”. A vegyi anyagok versenyezhetnek az ásványhoz való kötődésért is. Márpedig, mutatott rá Lena, a tavakat természetüknél fogva ásványok veszik körül, például agyag.
A legfontosabb szereplő a történetben John Sutherland, az Egyesült Királyságban, Cambridge-ben működő MRC Molekuláris Biológiai Laboratórium munkatársa. 2009-ben bebizonyította, hogy az RNS négy építőeleméből kettő egyszerű szénalapú vegyi anyagokból jön létre, ha egyszerű kezelésnek vetik alá őket, például ultraibolya sugárzásnak. Azóta kimutatta, hogy ugyanazok a kiindulási anyagok, némileg eltérő kezelés után a fehérjék vagy a sejtek külső membránját alkotó zsíros lipidek építőköveivé is válhatnak.
A pocsolyák időszakosan szinte teljesen kiszáradhatnak, ha felmelegednek, majd eső után újra feltöltődhetnek. Az ilyen nedves-száraz ciklusok ártalmatlannak tűnhetnek, de nagy hatással lehetnek az élet alkotóelemeire.
Például Sutherland 2009-es kísérlete az RNS négy építőeleméből csak kettőt hozott létre, de 2019-ben németországi kutatók mind a négyet elkészítették egyszerre. Az egyszerű szénalapú vegyi anyagokat forró vízbe helyezték, ásványi felületre, és ismételten nedves-száraz ciklusoknak vetették alá őket. Mindössze néhány nap elegendő volt ahhoz, hogy létrejöjjenek az RNS építőkövei.
David Deamer, a Kaliforniai Egyetemtől bebizonyította, hogy a nedves-száraz ciklusok elősegíthetik az egyszerű „protocellák” kialakulását, amelyek során az RNS-hez hasonló biológiai molekula zsíros lipidek héjába ágyazódik. 2017-ben Valentina Erastova (Edinburgh-i Egyetem) megállapította, hogy az aminosavak nedves-száraz ciklusoknak kitett ásványi felületen egyszerű fehérjékké kapcsolódnak össze.
Az élet bölcsője
Deamer szerint a forró, illetve „hullámzó” vulkáni medencék jelenthették a legalkalmasabb környezetet az élet kialakulásához. Sutherlandnek van egy alternatívája: egy meteorit-kráter, amelynek oldalán patakok folynak, és az alján egy medencében találkoznak. Nem világos, hogy ezek közül a forgatókönyvek közül melyik hihetőbb. Ezenkívül sok fiatalabb kutató úgy döntött, hogy nem kötelezi el magát egyik vagy másik forgatókönyv mellett, azzal érvelve, hogy még nem tudunk eleget ahhoz, hogy bármelyik verziót kizárhassuk. Mellesleg sok kutató továbbra is komolyan veszi a „lúgos kürtő” hipotézist, annak minden hiányossága ellenére.
Az azonban egyértelmű, hogy Darwin ötlete prófétai volt. Azt képzelte, hogy számos vegyi anyagnak koncentrálódnia kell egy kis térben, és szükség van egy olyan energiaforrásra, amely képes kémiai reakciókat előidézni.
„Csakúgy, mint Darwin sok meglátása” – mondja Vincent, a meleg pocsolya hipotézise „nagyon messzire mutató”.
Darwin levelében van még egy pont, amelyet „alábecsülnek” – mondja Vincent. „A meleg pocsolyában zajló folyamatok olyan könnyen megtörténhetnek, hogy folyamatosan történnek” – állítja. Lehet, hogy egyszerűen azért nem vesszük észre, mert amikor egy új fehérje vagy hasonló vegyület létrejön, egy éhes baktérium felzabálja.
„Az élet keletkezéséről úgy beszélünk, mintha valamiről, ami a messzi múltban történt. Holott olyasmiről va szó, ami minden pillanatban megtörténhet” – mondja Vincent.
