Elkerülhetetlen, vagy irtó nagy mázli az összetett élet?

A Kepler űrtávcső árgus tekintete egyre több és több Földhöz hasonló bolygót tár fel a tudósok előtt. Pontosan olyat még nem sikerült találni mint szülőbolygónk, de az eddig felfedezett sokaságból úgy tűnik, hogy a galaxis igencsak bővelkedik a lakható bolygóban. Ezek a felfedezések óhatatlanul elő hoznak egy régi paradoxont.

Ahogy azt Enrico Fermi, a híres fizikus 1950-ben felvetette, ha a Föld egy tipikus bolygó, akkor rengeteg alkalmas hely van az életre, vajon miért nem találkoztunk még a földönkívüli életformákkal? Azóta több mint félévszázadnyi földönkívüli intelligencia kutatás (SETI) zajlott le, ennek ellenére sem rendelkezünk semmi kézzel fogható eredménnyel.

Persze a világegyetem, de még saját galaxisunk is elképesztően nagy, aminek fényében Frank Drake híresen optimista "egyenlete" a kommunikációra képes élet valószínűségéről is azt sugallja, hogy hihetetlenül szerencsések lennénk, ha belebotlanánk akárcsak egy intelligens idegen fajba. Drake maga is elismerte, hogy egyenlete önmagában aligha oldaná fel a Fermi-paradoxont, így ez a válasz senkit sem elégített ki különösebben.

Nem kell azonban megijedni, vannak mélyebb magyarázatok is. Lehet, hogy az idegen civilizációk egyetlen galaktikus szemvillanás alatt jelennek meg és tűnnek el, jóval azelőtt megsemmisítve önmagukat, hogy képessé válnának új bolygók gyarmatosítására, vagy az is lehet, hogy az élet a megfelelő, sőt tökéletes körülmények között is csak nagyon ritkán alakul ki. Ha kifelé, a világűrbe bámulva nem sikerül megválaszolni az ilyen jellegű kérdéseket, talán magunkba és bolygónkba tekintve találunk néhány nyomot, véli Nick Lane a University College London eredet kutatója.

A Földön csak egyszer alakult ki az élet, egyetlen árva mintából pedig nehéz messzemenő következtetéseket levonni, azonban ennél többről van szó. Ha megnézzük az élet egyik legfontosabb összetevőjét, az energiát, az önmagában azt sugallja, hogy bár az egyszerű élet gyakori a világegyetemben, azonban nem feltétlenül fejlődik összetettebb szintekre, magyarázza Lane, aki szerint a földi élet első megjelenése és a komplex élet kialakulása közötti hatalmas időintervallum egy másik, egészen különböző magyarázatra utalhat, ami az idegenek rejtőzködését illeti.

Az élő dolgok hatalmas energiamennyiséget fogyasztanak a puszta létük fenntartására. Az étel amit elfogyasztunk üzemanyaggá alakul, ez az ATP, az adenozin-trifoszfát az élő sejtek legfontosabb energiaforrása, amit folyamatosan újrahasznosítunk. Napi szinten is hatalmas mennyiség áramlik a testben ebből az enzimekből és biológiai katalizátorokból álló üzemanyagból, amik évmilliók alatt hangolódtak finomra, hogy a lehető legtöbb használható energia joule-t préseljék ki a kölcsönhatásokból.

Az első életet fenntartó enzimek nem lehettek ennyire hatékonyak, az első sejteknek pedig sokkal több, ezerszer, vagy akár milliószor több energiára volt szükségük a fejlődéshez és az osztódáshoz, mint a modern sejteknek, véli Lane (képünkön), hozzátéve, hogy ugyanennek igaznak kell lennie az egész világegyetemre. Ezt a hatalmas energiaszükségletet gyakran kihagyják a kutatók az élet eredetének tényezőiből.

Mi lehetett a kialakuló élet energiaforrása itt a Földön? A régi elképzelések, mint a villámlás, vagy az ultraibolya sugárzás nem állták ki a próbát. Eltekintve attól a ténytől, hogy egyetlen élő sejt sem szerzi így az energiát, nincs semmi, ami egy helyre fókuszálná azt. Az első élet nem volt képes az energia keresésére, tehát olyan közegben kellett magasabb szintre fejlődnie, ami bővelkedett energiában.

Ma az legtöbb élet a Napból nyeri energiáját, a fotoszintézis azonban összetett és valószínűleg az első élet még nem rendelkezett ilyen képességgel. Az élet történetének rekonstruálása, amit az egyszerű sejtek genomjának összehasonlításával próbálnak elérni, telis-tele van problémákkal, az egyetlen eredményük, hogy az összes tanulmány egy irányba mutat. A legelső sejtek látszólag az energiát és a szenet hidrogén és széndioxid gázokból nyerték. A H₂ és a CO₂ reakciója közvetlenül eredményez szerves molekulákat és energiát szabadít fel. Ez fontos, mivel nem elég csak egyszerű molekulákat alkotni, azokat össze kell fűzni hosszú láncokba, hogy megkapjuk az élet építőköveit, amihez ugyancsak rengeteg energia kell.

Lane szerint a második nyom, ami elvezethet az első élet energiaszerző módszeréhez, az az energiahasznosítási mechanizmus, ami minden ismert életformánál megtalálható. Ez a mechanizmus annyira váratlan volt, hogy két évtizeden át vitáztak rajta, mire 1961-ben Peter Mitchell brit biokémikus felvetette. Mitchell szerint a sejteket nem kémiai reakciók, hanem egyfajta elektromosság látja el energiával. A sejtek membránjában kis elektromos pumpák működnek, amik az elektronáramlás során felszabaduló energiát ATP szintézisre fordítják. Ez a pumpa hidrogén ionokat, protonokat pumpál a membránon keresztül. A felvetés annyira megdöbbentő volt, hogy senki sem hitt neki, végül 1978-ban ismerték el felfedezését egy kémiai Nobel-díjjal.

Mivel a protonok pozitív töltésűek, a koncentráció különbség körülbelül 150 millivolt elektromos feszültségkülönbséget kelt a membrán két oldala között. Ez nem tűnik soknak, de ne feledjük, hogy csupán egy milliméter ötmilliomod részéről beszélünk, így a térerősség ezen a parányi távolságon hatalmas, megközelítőleg 30 millió Volt méterenként, ami megfelel egy villámcsapás energiájának. Mitchell proton mozgató erőnek nevezte el ezt az elektromos hajtóerőt. A Földön minden sejtet egy erőtér lát el energiával, ami az élet számára ugyanolyan egyetemes, mint a genetikai kód. Ez az elképesztő elektromos potenciál közvetlenül megcsapolható, használható például a csillók mozgatására, vagy kiaknázható az energiában gazdag ATP üzemanyag előállítására.

Mindazonáltal a mód, ahogy ez az erőtér létrejön és megcsapolódik, rendkívül összetett. Az ATP-t alkotó enzim olyan, mint egy forgó motor, amit a protonok befelé irányuló áramlása működtet. A membrán potenciáljának létrehozásában egy protein, a NADH dehidrogenáz segédkezik, ezt egy mozgó hengerrel ellátott gőzgéphez lehetne hasonlítani, ami protonokat pumpál kifelé. Lane meggyőződése, hogy ezek az elképesztő nanoszkópikus gépek egy hosszú természetes kiválasztódás eredményei, kizártnak tartja, hogy a kezdetektől segítsék az életet, ami egy újabb paradoxont vet fel.

Az élet habzsolja az energiát és a "gazdaságtalan" ősi sejteknek elvileg sokkal inkább több, mintsem kevesebb energiára volt szükségük. Ennek a hatalmas energiamennyiségnek a legvalószínűbb származási helye egy proton gradiens, mivel a mechanizmus általánossága gyors kialakulást feltételez. De hogyan ért el olyasvalamit a korai élet, ami ma egy rendkívül körmönfont szerkezetet igényel? "Van egy egyszerű módja a nagy mennyiségű energia beszerzésének, ami azt mondatja velem, hogy valójában nem is volt olyan nehéz kialakulnia az életnek" - mondta Lane.

A Lane által preferált választ 20 évvel ezelőtt fogalmazta meg egy mélytengeri hidrotermális kürtőket tanulmányozó geológus, bizonyos Michael Russell, aki jelenleg a NASA Sugárhajtómű Laboratóriumában (JPL) dolgozik. A "mélytengeri kürtők" hallatán sokaknak az óriás csőlakó férgek által körülvett fekete füstölők ugranak be, Russell azonban valami sokkal egyszerűbbre gondolt, az alkáli hidrotermális kürtőkre. Ezek egyáltalán nem vulkanikusak és nem füstölnek. A tengervíz a Föld köpenyében található elektronban sűrű kőzetekbe történő átszűrődésével alakulnak ki. Ilyen a magnézium és vas-szilikát keverékéből álló olivin ásvány, ami a vízzel reakcióba lépve szerpentinkövet alkot, a folyamat pedig kitágítja és megrepeszti a kőzetet, még több vizet engedve be, állandósítja a reakciót. A szerpentinizáció lúgos - protonokban szegény - folyadékot eredményez, ami gazdag hidrogén gázban, és az ebből felszabaduló hő vezeti vissza ezeket a folyadékokat az óceán fenekére. Amikor találkoznak a hűvösebb óceáni vizekkel, az ásványok kicsapódnak, tornyosuló kürtőket alkotva, amik akár a 60 méteres magasságot is elérhetik. Az ilyen kürtők mindent biztosítanak, vagy inkább biztosítottak 4 milliárd évvel ezelőtt, ami az élet inkubálásához szükséges, ismerte fel Russell.

Akkoriban alig volt oxigén, így az óceánok bővelkedtek oldott vasban, illetve jóval több lehetett a széndioxid is, mint napjainkban, ami azt jelentette, hogy az óceánok enyhén savasak voltak, ezáltal proton többlettel rendelkeztek. Gondoljunk csak bele, mi történik egy ilyen helyzetben. A lyukacsos kürtök belsejében parányi, szorosan összefüggő sejtszerű üregek vannak, melyeket laza ásványfalak zárnak körül. Ezek a falak ugyanazokat a katalizátorokat, különböző vasakat, nikkelt és molibdén szulfidokat tartalmazzák, amit a mai sejtek proteinekbe ágyazva használnak a széndioxid szerves molekulákká alakításának katalizálásához. A hidrogénben gazdag folyadékok átszűrődnek ezen a katalitikus mikropórus labirintuson. Normál esetben nehéz reakcióra bírni a CO₂-t és a H₂-t, a globális felmelegedés csökkentésére irányuló CO₂ megkötés is pontosan ezzel a problémával küzd. A katalizátorok önmagukban nem elegendőek, az élő sejtek azonban nem csak katalizátorokkal ejtik foglyul a szenet, proton gradienseket használnak a reakcióhoz, a kürtők lúgos folyadékai és a savas víz között pedig ott van egy természetes proton gradiens.

Ez a természetes proton mozgató erő állna a szerves molekulák kialakulása mögött? Lane szerint ezt még korai lenne kijelenteni, azonban komolyan kutatja a lehetőséget és úgy véli, igen érdekes eredmények születhetnek a jövőben. Mit oldana meg, ha a válasz egyöntetűen igen lenne? "Nagyon sok mindent" - válaszol Lane. "Amint leomlik az akadály a CO₂ és a H₂ reakciója előtt, a folyamat felgyorsulhat. Különösen a lúgos hidrotermális kürtőket jellemző körülmények között a H₂ és a CO₂ kombinálása az élő sejtekben található molekulák - aminosavak, lipidek, cukrok és nukleobázisok előállításához valójában energiát szabadít fel"

Ebből a szemszögből a fent leírt folyamat már korántsem a termodinamika második főtételének egy rejtélyes kivétele, hanem az élet mozgatórugója. Ez egy planetáris kiegyensúlyozatlanság elkerülhetetlen következménye, amiben elektronban gazdag kőzeteket elválaszt az elektronban szegény, savas óceántól egy vékony kéreg, amit kürtőrendszerek lyuggatnak át, melyek ezt az elektromechanikai hajtóerőt sejtszerű rendszerekbe koncentrálják. A bolygóra egy hatalmas akkumulátorként tekinthetünk, míg a sejtre parányi akkukként, a kettő ugyanazon alapelvek szerint épül fel. Lane beismeri, hogy igen sok kitöltendő hiányosság és lépcsőfok van egy szerves molekulákat előállító elektromechanikus reaktor, és egy élő, lélegző sejt között, de vessünk egy pillantást az összképre.