Skąd się wzięło życie? Naukowcy mają mocny trop. Świat RNA nie wymagał cudu, wystarczyły dobre warunki
Skąd wzięło się życie? Na to pytanie przez wieki odpowiadały mity o stworzeniu świata i filozoficzne rozważania. Współcześnie coraz śmielej temat podejmują naukowcy, dzięki którym stopniowo opuszczamy sferę czystych spekulacji i dostrzegamy pierwsze konkretne mechanizmy, które umożliwiły pojawianie się życia na Ziemi. W centrum często pojawia się RNA (kwas rybonukleinowy). Niedawne badania sugerują, że mógł on powstać spontanicznie w warunkach młodej Ziemi, a niezbędne składniki mogły zostać dostarczone z kosmosu.
W latach 50. XX w. Stanley Miller przeprowadził dziś klasyczny już eksperyment: w aparaturze wypełnionej gazami przypominającymi wczesną atmosferę Ziemi spowodował wyładowania elektryczne, symulujące pioruny. Po kilku dniach w „pierwotnej zupie” pojawiły się aminokwasy – cegiełki białek. W ten prosty sposób udało się dowieść, że podstawowe składniki życia mogą powstawać spontanicznie, bez bezpośredniego udziału organizmów żywych, nie mówiąc już o ponadnaturalnych interwencjach. Wyniki tego eksperymentu i kolejne odkrycia biologii pozwoliły szukać odpowiedzi na pytanie, czy spontanicznie mogłyby powstawać również replikatory – cząsteczki zdolne do kopiowania samych siebie. Bo bez replikacji nie ma ewolucji, a bez ewolucji – życia w biologicznym sensie.
Czy RNA rządził na Ziemi?
Współczesne komórki działają jak perfekcyjnie zsynchronizowana fabryka. DNA przechowuje instrukcje niezbędne do budowy białek, które mogą powstawać dzięki pośrednictwu RNA. Problem w tym, że jest mało prawdopodobne, by tak złożony system powstał od zera, bo przecież poszczególne jego elementy są ze sobą ściśle powiązane. Same białka, nawet jeśli pojawiłyby się spontanicznie, nie miałyby programu umożliwiającego ich powielanie, a DNA bez RNA i białek zdolnych je odczytać pozostałoby bezużytecznym zapisem informacji. Ten zamknięty krąg zależności sugeruje, że życie musiało zaczynać się od prostszego etapu pośredniego – być może świata, w którym kluczową rolę odgrywało RNA.
Czytaj także: Jak rodziło się życie na Ziemi
I tu pojawia się hipoteza świata RNA, zaproponowana już w latach 60. XX w. Zakłada ona, że zanim wyłoniły się DNA oraz kodowane przez nie białka, istniał etap ewolucji, w którym RNA pełniło wszystkie kluczowe funkcje życia: przechowywało informację genetyczną, ulegało replikacji i katalizowało reakcje chemiczne niczym enzym. Nie jest to czysta spekulacja, odkąd nauka odkryła rybozymy, czyli cząsteczki RNA zdolne do katalizy, a jednocześnie jedne z najstarszych i najbardziej fundamentalnych enzymów komórki. Co więcej, eksperymenty z selekcją laboratoryjną wykazały, że RNA może katalizować także kopiowanie innych cząsteczek RNA, co podważyło fundamentalną wątpliwość dotyczącą możliwości istnienia samoreplikującego się systemu opartego wyłącznie na RNA. I choć uzyskane dotąd rybozymy potrafią przepisywać jedynie krótkie sekwencje matrycowego RNA, pokazuje to, że RNA miał potencjał, by być jednocześnie nośnikiem informacji i katalizatorem procesów niezbędnych do jej replikacji. Co znamienne, praca rybosomu, czyli kompleksu komórkowego odpowiedzialnego za syntezę białek, opiera się na molekułach RNA, które są rybozymami. Czy zatem rybosomalne RNA jest żywą skamieliną pierwotnego świata?
Zaskakujący sprzymierzeńcy syntezy RNA
Jednym z kluczowych problemów hipotezy świata RNA jest nie samo pytanie, czy RNA mogło powstać, lecz jak mogło się to wydarzyć w realnym środowisku młodej Ziemi – bez precyzyjnego dozowania reagentów i kontroli warunków, jaką zapewnia laboratorium. Postanowili to sprawdzić japońscy badacze w eksperymencie, którego celem było sprawdzenie, czy wszystkie etapy prowadzące do powstania RNA mogły zachodzić jednocześnie w jednym środowisku, a nie, jak w wielu wcześniejszych eksperymentach, w oddzielnych przestrzeniach, w warunkach laboratoryjnych o precyzyjnie dobranych parametrach.
Naukowcy oparli się na tzw. nieciągłym modelu syntezy RNA, który zakłada, że kolejne reakcje chemiczne zachodzą etapami, w rytmie naturalnych cykli środowiskowych – zalewania i wysychania, ogrzewania i chłodzenia. Takie warunki mogły panować w podziemnych zbiornikach wodnych hadejskiej Ziemi, otoczonych skałami bazaltowymi pochodzenia wulkanicznego. To właśnie z tych skał do wody uwalniały się borany, czyli związki boru, które w eksperymencie nie zostały dodane „sztucznie”, lecz jako realistyczny składnik dawnego środowiska geochemicznego.
Borany były jednym z elementów stojących na drodze hipotezie świata RNA, bo przewidywano, że powinny blokować niektóre reakcje niezbędne do jego powstania. Dlatego największym zaskoczeniem przeprowadzonego eksperymentu było wykazanie, że są one wręcz sprzymierzeńcem: stabilizowały delikatne cząsteczki pośrednie, pomagały kontrolować przebieg reakcji i utrzymywały warunki sprzyjające kolejnym etapom syntezy. W obecności boranów i bazaltu wszystkie sześć kroków prowadzących od bardzo prostych związków chemicznych – zawierających zaledwie kilka atomów węgla i azotu – do łańcuchów RNA mogło zachodzić samorzutnie, bez ingerencji człowieka. Powstające cząsteczki osiągały długość co najmniej kilku, a nawet kilkudziesięciu nukleotydów, czyli skalę, na której mogą się pojawiać biologicznie istotne właściwości.
Substraty dla życia zasiane przez komety?
Co szczególnie intrygujące, ten scenariusz dobrze wpisuje się w to, co wiemy o historii Ziemi. Warunki sprzyjające takiej chemii mogły zaistnieć około 4,3 mld lat temu, krótko po uformowaniu się skorupy ziemskiej i Księżyca, a jeszcze przed najstarszymi geochemicznymi śladami życia zapisanymi w minerałach cyrkonu. Autorzy pracy, opublikowanej na łamach „Proceedings of the National Academy of Science”, podkreślają, że podobne procesy mogły zachodzić również na dawnym Marsie, w epoce, gdy posiadał on wodę i aktywność wulkaniczną. Choć nie jest to dowód na istnienie życia, badania te pokazują, że świat RNA nie wymagał cudów – wystarczyły warunki, które młode planety mogły oferować całkiem naturalnie.
Kosmiczny wątek, który wyłania się z tych badań, szczególnie pobudza wyobraźnię. Nabiera on dodatkowego znaczenia w świetle wyników misji OSIRIS-REx, która sprowadziła na Ziemię próbki z asteroidy Bennu. Ich analizy, przeprowadzone pod koniec 2025 r., wykazały bowiem, że materiał ten zawiera wszystkie kluczowe składniki potrzebne do powstania RNA: rybozę, czyli cukier stanowiący jego „kręgosłup”, fosforany oraz komplet zasad azotowych. Oprócz tego w próbkach znaleziono aminokwasy i duże ilości amoniaku. Taki zestaw związków chemicznych sugeruje, że kosmiczne skały mogły dostarczać młodej Ziemi gotowych, prebiotycznych „cegiełek” życia, a początki biologii mogły być nie tylko ziemskie, lecz może nawet kosmiczne.
W związku z tym naukowcy stawiają hipotezę, zgodnie z którą masywne uderzenie protoplanety bogatej w takie związki około 4,3 mld lat temu mogło dostarczyć na Ziemię materiały niezbędne do budowy RNA. Podobne zderzenie dotknęło prawdopodobnie wczesnego Marsa, a co szczególnie intrygujące – na Czerwonej Planecie wykryto także borany. Jeśli tak, to warunki do powstania RNA mogły istnieć nie tylko u nas. Czy zatem na Marsie istniał kiedyś krótki epizod świata RNA?
Czytaj także: Młody Mars mógł być rajem dla życia. Dziś można tu robić to, co na Ziemi jest niemożliwe
Współczesne echa odległego świata?
Oczywiście samo powstanie RNA to jeszcze nie życie. Kluczowa jest jego zdolność do replikacji, czyli tworzenia kopii samego siebie. Powielanie RNA ma jedno istotne ograniczenie – niedokładność. Liczba błędów takiego procesu jest znacznie wyższa, a na dodatek mechanizmy replikacyjne nie wykorzystują systemów korekty, które znamy ze świata DNA. Ta niedoskonałość z jednej strony może napędzać zmienność i szybkie tempo ewolucji, ale z drugiej wiąże się z ryzykiem rozpadu informacji genetycznej w wyniku pojawienia się krytycznych błędów. I to dlatego wirusy, których materiał genetyczny stanowi RNA, są tak podatne na zmienność. Czy są one pozostałością po świecie RNA? Na pewno dowodzą, że RNA samo w sobie wystarcza, by przenosić informację i podlegać ewolucji. Jednak wszystkie znane nam wirusy zależą całkowicie od komórek z ich całą skomplikowaną maszynerią, którą muszą manipulować, by tworzyć swoje kopie. Nie można więc dopatrywać się w nich żywych skamieniałości świata RNA, są ewentualnie jego dalekim, zniekształconym echem.
Przez długi czas uważano, że RNA mogło się kopiować tylko przy pomocy skomplikowanych enzymów. Opublikowane w „Nature Chemistry” badania brytyjskich naukowców pokazują jednak, że w warunkach wczesnej Ziemi proces ten mógł przebiegać znacznie prościej. Wystarczały bardzo krótkie fragmenty RNA, złożone z trzech nukleotydów, czyli trzech z czterech „liter”, z których zbudowane jest RNA: adeniny (A), uracylu (U), cytozyny (C) i guaniny (G). Te trójki działały jednocześnie jak „pomocnicy” dla RNA, utrzymując nici w stanie pojedynczym, by się nie sklejały, oraz jako cegiełki potrzebne do powstawania nowych kopii RNA. Dodatkowo zmieniające się warunki, takie jak wzrost i spadek temperatury, wspierały kopiowanie – ciepło rozdzielało dwie nici RNA, krótkie fragmenty zapobiegały ich ponownemu łączeniu, a chłód zagęszczał cząsteczki, ułatwiając reakcje.
Badania pokazały też, że takie trójki pozwalają RNA powielać się w sposób niezwykle wydajny: nie tylko kopiują istniejące sekwencje, ale mogą generować nowe kombinacje nukleotydów, a fragmenty RNA nawet częściowo kopiują same siebie – to w pewnym sensie pierwotna forma samoreplikacji. Co więcej, kopiowanie RNA zbudowanego z trójek nukleotydów jest odporne na przeszkody, jakie mogły pojawiać się w niestabilnych warunkach wczesnej Ziemi, co sugeruje, że samoistna replikacja RNA mogła być nie tylko możliwa, ale i naturalnie preferowana chemicznie. Szczególnie ciekawa jest zbieżność z dzisiejszą biologią: współczesne komórki, aby budować białka, „czytają” informacje genetyczne właśnie trójkami nukleotydów, zwanymi kodonami. Być może nie jest to przypadek, lecz echo bardzo wczesnych mechanizmów replikacji RNA sprzed miliardów lat?
RNA: od początków życia po nowoczesne terapie
Hadejskie oceany, aktywność wulkaniczna i bombardowania meteorytowe zatarły niemal wszystkie bezpośrednie ślady najwcześniejszego etapu ewolucji życia. Chemia jednak „pamięta”. Każdy nowy eksperyment pokazujący, że RNA mógł powstać i kopiować się samorzutnie w realistycznych warunkach, przybliża nas do odpowiedzi na jedno z największych pytań nauki. Być może życie nie było jednorazowym cudem, lecz niemal nieuniknionym etapem ewolucji materii – na Ziemi, a może i w wielu innych miejscach Wszechświata. I być może zanim pojawiły się komórki, genomy i DNA, istniał świat, w którym niemal cała biologia mieściła się w jednej cząsteczce: RNA, a echo po tych pradawnych czasach wciąż pobrzmiewa w najgłębszych mechanizmach życia?
Nawet jeżeli nigdy nie będziemy w stanie udzielić jednoznacznych odpowiedzi na zadane w tym tekście pytania, pamiętajmy, że badania nad RNA nie są tylko próbą odtworzenia przeszłości. Im więcej wiemy o tych molekułach, tym większa jest szansa, by je lepiej wykorzystać. Dowodem na to niech będą nowoczesne terapie RNA czy szczepionki mRNA, które umożliwiły nowe metody leczenia i zapobiegania chorobom.