Marcin Rotkiewicz: – Jest takie pańskie zdjęcie z konferencji prasowej w biurze NASA: siedzi pan na tle fotografii powierzchni Marsa, wykonanej przez łazik Opportunity. Widać na niej dziwne kulkowate twory.
Prof. Andrew Knoll: – Nazwaliśmy je jagodami ze względu na kształt. Te zbudowane z tlenków żelaza kulki powstały najprawdopodobniej na skutek działania wody. Wyjaśniałem wówczas dziennikarzom znaczenie tego odkrycia. Do dziś jestem członkiem zespołu naukowców, który dla NASA przygotowywał i nadzoruje misję łazika Opportunity, od pięciu lat badającego Marsa.
Czy to odkrycie dowodzi, że na Marsie płynęła kiedyś woda?
Tak, ale najprawdopodobniej było to bardzo dawno temu, we wczesnym okresie istnienia planety, oraz trwało krótko. Ponadto woda stała się dość szybko tak zasolona i kwaśna, że raczej żadne organizmy nie miałyby szans na przetrwanie w niej. Mars od bardzo dawna jest miejscem suchym i nieprzyjaznym dla życia, co nie znaczy, że należy je tam całkowicie wykluczyć. Jest jeszcze bardzo wiele zakątków, w które powinniśmy zajrzeć.
Nie bez powodu pytam o Marsa, choć mieliśmy rozmawiać o początkach życia na Ziemi. Są bowiem poważni naukowcy głoszący, że pierwsze mikroby przywędrowały na Ziemię właśnie z Czerwonej Planety...
...i wszyscy jesteśmy ich potomkami, a więc Marsjanami (śmiech). Znam tę koncepcję. Opiera się ona na dwóch założeniach: po pierwsze, że samodzielne narodziny życia na Ziemi z jakichś powodów były trudne. Po drugie, ponieważ Mars jest mniejszy od naszej planety, zatem po uformowaniu się szybciej ostygł i stał się przyjazny dla życia. Błąd takiego myślenia polega na tym, że o temperaturze powierzchni planety w stopniu znacznie większym od temperatury wnętrza decydują jej atmosfera i Słońce.
Ponadto mikroby musiałyby jakoś dotrzeć na Ziemię.
To akurat wydaje się możliwe. Znajdujemy przecież na naszej planecie meteoryty pochodzące z Marsa. Odłamki skał wybijane przez planetoidy docierały z Marsa na Ziemię. Niekiedy były to fragmenty tak duże, że żywe organizmy mogłyby przetrwać taką daleką podróż w ich wnętrzu. Nie zmienia to jednak mojej generalnej oceny hipotezy marsjańskiego pochodzenia życia: nie ma żadnego mocnego dowodu na to, że lepsze warunki dla jego narodzin istniały na Czerwonej Planecie.
Wróćmy zatem na Ziemię. Jakie są najstarsze odkryte ślady żywych organizmów?
Takie niebudzące wątpliwości znalezisko stanowią liczące 3,5 mld lat osady wapienne, tzw. stromatolity, w Australii i południowej Afryce (a przypomnijmy, że Ziemia uformowała się ok. 4,5 mld lat temu). Jeszcze starsze, pochodzące sprzed 3,8 mld lat, ślady aktywności żywych organizmów odnaleziono na Grenlandii. Proszę jednak pamiętać, że to nie są tak oczywiste skamieniałości jak np. kości dinozaurów. Mówimy tu o chemicznych śladach, które czasami są dyskusyjne.
Jakie organizmy je pozostawiły?
Zapewne sinice, czyli bakterie potrafiące przeprowadzać fotosyntezę.
To nasi najstarsi przodkowie?
Nie. Od lat staramy się zrekonstruować cechy tzw. ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka LUCA (ang. Last Universal Common Ancestor). To prapradziadek pana, mój, bakterii, roślin, zwierząt i wszelkich żyjących dziś na Ziemi organizmów.
Jak zatem wyglądał LUCA?
Zapewne przypominał pod względem budowy współczesne jednokomórkowe mikroorganizmy – bakterie i archeowce. Prawdopodobnie żył na dnie mórz w pobliżu tzw. kominów hydrotermalnych, czyli otworów wyrzucających gorącą wodę, zawierającą duże ilości różnych związków chemicznych oraz gazy. Substancje te stanowiły jego pożywienie. Nasz pradziadek lubił zatem wysokie temperatury – powyżej 100 st. C. Takie organizmy nazywamy hipertermofilami.
Jeśli LUCA wyglądał podobnie jak bakterie i archeowce, to znaczy, że był ewolucyjnie dość zaawansowanym organizmem – z całą skomplikowaną maszynerią biochemiczną działającą wewnątrz komórki. On zatem też musiał mieć swoich, bardziej prymitywnych przodków.
Ma pan rację. Być może nasz ostatni wspólny przodek był jedynym (lub jednym z bardzo niewielu), który zdołał przetrwać kosmiczną katastrofę tzw. wielkiego bombardowania (ang. Late Heavy Bombardment). 4 mld lat temu na planety w Układzie Słonecznym spadł deszcz planetoid i komet – to właśnie wówczas powstała większość kraterów widocznych dziś na Księżycu. LUCA przeżył ten piekielny czas na dnie mórz, w pobliżu kominów hydrotermalnych.
Czyli przed wielkim bombardowaniem żyło na Ziemi wiele rozmaitych organizmów?
Zapewne tak. Co ciekawe, ich ślady można wytropić na podstawie materiału genetycznego współczesnych bakterii i archeowców. Naukowcy bowiem postanowili dokonać rekonstrukcji białek LUCA, umożliwiających życie w wysokich temperaturach. Ku sporemu zaskoczeniu okazało się, że umożliwiały one przebywanie raczej w 50 niż 100 st. C. Jak to wytłumaczyć? Prawdopodobnie LUCA pochodzi od jednokomórkowych mikrobów żyjących w bardziej umiarkowanych temperaturach, które z czasem przystosowały się również do życia w pobliżu gorących kominów hydrotermalnych. Jednak w materiale genetycznym naszego prapradziadka pozostały ślady tych mniej ciepłolubnych kuzynów.
Czyli LUCA pojawił się stosunkowo późno po narodzinach życia na Ziemi. Jak w takim razie wyglądało ono wcześniej?
Ogromnie ciekawe pytanie, ale nie znamy na nie odpowiedzi.
Czy mogło np. opierać się na zupełnie innym materiale genetycznym? Dziś dominuje DNA, bo bazują na nim wszystkie organizmy, poza niektórymi wirusami jak HIV, wykorzystującymi RNA.
Raczej na pewno DNA nie mógł być materiałem genetycznym, na którym opierała się budowa wczesnych organizmów żywych. Dlatego przed laty sformułowano ciekawą hipotezę świata RNA mówiącą, że pierwszym nośnikiem informacji był kwas rybonukleinowy.
Kiedyś przez naukowców mocno niedoceniany.
To prawda. Mamy wszyscy RNA w swoich komórkach, ale jeszcze w latach 60. myślano, że to mało ważna cząsteczka, pełniąca wyłącznie funkcje pomocnicze. Jedyną osobą idącą pod prąd tej dominującej wówczas opinii był Francis Crick, współodkrywca struktury DNA, który mówił, że jeżeli chcemy zrozumieć, jak narodziło się życie na Ziemi, powinniśmy zająć się RNA.
Dlaczego właśnie RNA?
Mówiąc w dużym uproszczeniu, DNA do swojego funkcjonowania potrzebuje m.in. pewnych białkowych enzymów. Tymczasem RNA może służyć i jako materiał genetyczny, czyli nośnik informacji, i jako enzym. Sam obsługuje siebie. Trwają także badania nad tzw. analogami RNA, czyli substancjami mającymi podobne biochemiczne właściwości, ale za to jeszcze łatwiej powstającymi z prostszych substancji chemicznych. Może więc było tak, że przed światem RNA istniał jeszcze inny, oparty na odmiennej chemii.
Dlaczego to DNA odniosło tak spektakularny ewolucyjny sukces?
Bo jest cząsteczką bardziej stabilną, zapewniającą trwalszy zapis informacji. Na razie nie jesteśmy jednak w stanie odtworzyć, jak nastąpiło przejście ze świata RNA do zdominowanego przez DNA.
Doszliśmy w naszej rozmowie do najbardziej istotnego i tajemniczego momentu w historii życia na Ziemi – przejścia od materii nieożywionej do życia. Czyli narodzin czegoś, co moglibyśmy nazwać pierwszym ziemskim organizmem.
To wymaga określenia, czym jest życie, a co do tego nie ma zgody wśród uczonych.
A pan jak je definiuje?
Prosto: jako system zdolny do podlegania darwinowskiej ewolucji. Zatem taki, który potrafi się reprodukować, czyli tworzyć kopie samego siebie. Jednak musi istnieć jakieś źródło mutacji – tzn. kopie nie powinny być identyczne z organizmem wyjściowym. Wiele z takich błędów powoduje, że potomny organizm działa gorzej niż rodzic, ale od czasu do czasu mogą zdarzyć się mutacje powodujące, iż radzi sobie znacznie lepiej.
Kiedy taki system pojawił się na Ziemi?
Gdy zapytano słynnego badacza początków życia prof. Stanleya Millera, jak szybko do tego doszło, odpowiedział: kilkadziesiąt lat to byłoby bardzo szybko, kilkaset też, 10 tys. brzmi nieźle, ale mogło to zająć również miliony lat. Dla mnie fakt, że znaleźliśmy meteoryty liczące 4,5 mld lat i zawierające substancje organiczne, oznacza, iż chemiczne cegiełki potrzebne do budowy życia były obecne w Układzie Słonecznym od bardzo wczesnego etapu istnienia planet. Dlatego skłaniam się ku tezie, iż życie pojawiło się szybko i nagle.
Nie ma jego chemicznych śladów w skałach pamiętających początki Ziemi?
Problem w tym, że takie bardzo stare skały przeszły daleko idące przemiany. Dlatego najstarsze w miarę nienaruszone fragmenty skorupy ziemskiej, które udało nam się odkryć, liczą 3,8 mld lat. Starszych nie znamy.
Czy są zatem jakiekolwiek szanse na rekonstrukcję pierwszych żywych organizmów?
Naukowcy podchodzą do tego zagadnienia dwiema drogami: z góry na dół oraz z dołu do góry. Ta pierwsza oznacza maksymalne upraszczanie współczesnych mikroorganizmów metodami inżynierii genetycznej – tzn. sprawdzanie, jak mało genów oraz innych elementów komórki potrzeba do tego, by uzyskać bardzo prosty, ale normalnie funkcjonujący organizm. Pracuje nad tym m.in. słynny genetyk Craig Venter, jeden z twórców metody szybkiego odczytywania ludzkiego genomu.
Trochę mi to przypomina pozbawianie nowoczesnego samochodu różnych elementów i części, by dojść do tego, jak wyglądało pierwsze w historii auto.
Dobre porównanie! Tego typu eksperymenty nie są więc tożsame z odtworzeniem w laboratorium pierwszych ziemskich organizmów. Dzięki nim można jednak uzyskać najprostszą komórkę, która potrafi normalnie funkcjonować, np. mając zaledwie kilkaset genów. To zaś stanowi pewną wskazówkę, co wystarczyłoby do życia najstarszym ziemskim organizmom.
Pójdźmy teraz drugą drogą: z dołu do góry.
Cofnijmy się więc do 1953 r. i słynnego eksperymentu Stanleya Millera. Przepuszczał on wyładowania elektryczne – symulujące burzowe pioruny – przez mieszaninę gazów, zapewne obecnych w atmosferze młodej Ziemi: metanu, wody, amoniaku i wodoru. Po tygodniu uzyskał związki organiczne, m.in. aminokwasy tworzące białka. Podejście z góry do dołu oznacza zatem odtworzenie warunków podobnych do panujących na młodej Ziemi, w których proste substancje chemiczne przekształcą się w cegiełki potrzebne do budowy życia, a te z kolei utworzą pierwszy prosty organizm.
Czyli chodzi o stworzenie w laboratorium nowego życia.
Tak. Dziś jednym z kontynuatorów prac Millera jest mój kolega z Uniwersytetu Harvarda prof. Jack Szostak – tegoroczny laureat Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny. Osiągnął on bardzo obiecujące rezultaty, doprowadzając do powstania zbudowanych z kwasów tłuszczowych pęcherzyków, które mogą się dzielić i przechowywać w swoim wnętrzu RNA.
To nie jest jeszcze życie?
Nie. Jack wprawdzie odnosi duże sukcesy na tym polu, ale do stworzenia w probówce samopowielającego się organizmu brakuje bardzo istotnego procesu. Chodzi o to, by ściśle powiązać materiał genetyczny z chroniącą go błoną, zbudowaną z kwasów tłuszczowych, tak by jej budowa była zapisana w RNA lub DNA i regulowana przez nie. To jest Święty Graal badań nad powstaniem życia, reszta wydaje się prosta.
Uda się go kiedyś odnaleźć?
Byłbym bardzo zaskoczony, gdyby w ciągu najbliższych 10 lat ktoś tego nie dokonał i nie stworzył od podstaw życia w laboratorium.
Jakie miejsce na naszym globie mogło najbardziej sprzyjać narodzinom życia?
Istnieje co najmniej kilka konkurencyjnych hipotez. Mamy grupę naukowców, którzy optują za podwodnymi kominami hydrotermalnymi jako źródłami energii i wszystkich substancji potrzebnych do zainicjowania życia. Inni z kolei wolą widzieć jako inkubatory życia małe płytkie zbiorniki wodne, które poprzez napełnianie się i wysychanie – co skutkowało okresowym zagęszczeniem związków organicznych – sprzyjały powstawaniu pierwszych organizmów. Kolejna hipoteza zakłada, że świetnym życiotwórczym środowiskiem jest po prostu oceaniczna woda. Być może było tak, że życie narodziło się w wielu różnych miejscach.
Wygląda na to, że nasza wiedza na temat powstania życia na Ziemi jest nadal pełna luk.
Tak. Najkrótsza odpowiedź na pytanie o powstanie życie na Ziemi brzmi: nie wiemy dokładnie, kiedy, jak i w jakich warunkach się narodziło.
Nie boi się pan, że taka odpowiedź to woda na młyn kreacjonistów i zwolenników tzw. inteligentnego projektu, twierdzących, że bez interwencji jakiejś siły wyższej życie nigdy by nie powstało?
Nie jestem od tego, by mówić komuś, w co ma wierzyć. Jednak stanowisko np. zwolenników inteligentnego projektu świadczy o kompletnym niezrozumieniu, na czym polega nauka. Ona zawsze będzie pełna znaków zapytania i luk, które staramy się zapełniać. To, że nie wiemy, jak dokładnie narodziło się życie na Ziemi, wcale nie oznacza, że wymagało to jakiejś boskiej interwencji. Wręcz przeciwnie, jestem pewien, że stały za tym zwykłe procesy chemiczne. Pan czy ja składamy się właściwie tylko z trzech prostych elementów: węgla, tlenu i wodoru. W zjawisku życia naprawdę nie ma nic magicznego. Co nie znaczy, że moje wnuki nadal nie będą zadawały sobie pytania, jak doszło do narodzin życia na Ziemi. Kiedyś odpowiemy na nie wyczerpująco.
Które momenty w historii życia na Ziemi uznałby pan za przełomowe?
Na pewno zmianę składu, ok. 2,5 mld lat temu, ziemskiej atmosfery, w której wyraźnie wzrosła zawartość tlenu, m.in. dzięki aktywności biologicznej. Miało to ogromny wpływ na dalszy bieg ewolucji. Kolejny niezwykle ważny moment to pojawienie się ponad 2 mld lat temu pierwszych organizmów eukariotycznych, czyli posiadających o wiele bardziej skomplikowaną budowę komórki – przede wszystkim DNA odseparowane w jądrze. Eukarionty to przodkowie grzybów, roślin i zwierząt. Jako następne bardzo ważne wydarzenie wymieniłbym powstanie 600 mln lat temu pierwszych zwierząt – tzw. fauny ediakarańskiej. Jakieś 200 mln lat później mamy początek kolonizacji lądów przez rośliny. Niedługo po nich z morza wychodzą pierwsze zwierzęta. Proszę pamiętać, że Ziemia dopiero w ciągu ostatnich kilkuset milionów lat całkowicie zmieniła swój wygląd. Świat podobny do tego, który znamy – pełen lądowych roślin i zwierząt - to tylko niewielki procent historii życia na naszej planecie.
Mówił pan o tym, że nasz przodek LUCA być może jako jedyny przetrwał wielkie kosmiczne bombardowanie. Jaką rolę w historii życia na Ziemi odegrały katastrofy?
Wiele wskazuje na to, że bardzo istotną. Dowodzi tego choćby wyginięcie dinozaurów 65 mln lat temu, co stworzyło możliwość ekspansji ssaków a więc i nas. Ale i wcześniej wymierania zdają się przyspieszać ewolucyjne zmiany. Prawdopodobnie kilka razy w Ziemia przeżywała okres globalnego ochłodzenia. Niektórzy sądzą wręcz, z czym nie do końca się zgadzam, że była całkowicie skuta lodem a życie przetrwało na dnie oceanów w pobliżu kominów hydrotermalnych. Faktem jest, że czapa lodowa sięgała rejonów równikowych i było naprawdę zimno. Kilkadziesiąt milionów lat po takim ostatnim globalnym zlodowaceniu pojawiły się pierwsze organizmy wielokomórkowe – wspomniana już fauna ediakarańska. Z kolei 250 mln lat temu wielkie wymieranie zabiło aż 90 proc. organizmów żyjących w morzach oraz bardzo wiele lądowych, co niewątpliwie zmieniło bieg ewolucji.
Czy komety i planetoidy, oprócz katastrof, mogły przynieść życie na Ziemię?
Całkiem możliwe, ponieważ materiał międzyplanetarny obecny w Układzie Słonecznym zawierał związki organiczne. Czy jednak życie mogło narodzić się bez ich pomocy? Tego nie wiem. Jeżeli skład chemiczny komet i meteorytów, które znamy, jest reprezentatywny dla całej ich „populacji”, to większość dwutlenku węgla, wody i węgla jest ziemskiego pochodzenia.
Czy zetknął się pan z hipotezami głoszącymi, że głęboko pod Ziemią istnieje ogromna, prawie nieznana biosfera, w której mogły przetrwać organizmy nie pochodzące od LUCA?
Jeżeli istnieje jakaś równoległa biosfera, a tego oczywiście w 100 proc. nie można wykluczyć, to jest ona naprawdę bardzo dobrze ukryta przed naszymi oczami. Nie ma też żadnych wątpliwości, że występuje coś takiego jak głęboka biosfera – organizmy żyjące nawet do kilku kilometrów pod powierzchnią Ziemi. Niektóre szacunki mówią, że jej biomasa jest porównywalna z tym, co obserwujemy wokół nas. Jeśli jednak przyjrzy się tym mikroorganizmom dokładnie, to nie ma w nich nic niezwykłego. Większość żywi się węglem, który powstaje na powierzchni, więc nie jest to jakiś równoległy, niezależny świat. Jedno jest pewne – ok. 4 mld lat temu przeżyła jedna linia organizmów, od której wywodzi się całe znane nam życie.
rozmawiał Marcin Rotkiewicz
Za tydzień światowej sławy antropolog prof. Richard Wrangham opowie, jak umiejętność gotowania jedzenia zmieniła bieg ewolucji i doprowadziła do narodzin gatunku Homo sapiens.
150 lat teorii Darwina
150 lat temu ukazała się książka, która na zawsze zmieniła nasz sposób myślenia o naturze i człowieku. 24 listopada 1859 r. to data pierwszego wydania „O powstawaniu gatunków” Karola Darwina. W lutym 2009 r. obchodziliśmy 200 urodziny twórcy teorii ewolucji. Ta podwójna rocznica to dobra okazja, by wrócić do pytań o najbardziej przełomowe i tajemnicze momenty ewolucji. Naszymi przewodnikami będą trzej wybitni uczeni z Uniwersytetu Harvarda. Rozmowy z nimi zamieszczamy w trzech kolejnych numerach.