Chemik z Rice University, James Tour, wraz ze współautorami Michaelem Charlesem Parkerem i Chrisem Jeynesem opublikowali niedawno artykuł w czasopiśmie „BioCosmos” zatytułowany Thermodynamic Limitations on the Natural Emergence of Long Chain Molecules: Implications for Origin of Life1 [Ograniczenia termodynamiczne w naturalnym powstawaniu długich łańcuchów molekularnych. Implikacje dla pochodzenia życia]. Badania naukowców wykazały, że białka i RNA ulegają degradacji w tempie, które sprawia, iż ich spontaniczne powstawanie w naturalnych, niekierowanych warunkach jest skrajnie mało prawdopodobne. Do tej pory żaden zajmujący się pochodzeniem życia badacz nie przedstawił merytorycznej odpowiedzi na wyzwania termodynamiczne przedstawione w artykule.
Szacowanie okresów półtrwania
Autorzy zastosowali model statystyczny rozpadu oraz ilościową termodynamikę geometryczną, aby obliczyć stałe czasowe rozpadu białek i RNA, które są bezpośrednio powiązane z ich okresami półtrwania, czyli czasem potrzebnym, aby połowa początkowej liczby cząsteczek uległa degradacji. Badanie wykazało, że stała czasowa rozpadu polimeru jest w przybliżeniu równa stałej czasowej rozpadu dimeru (czyli pary aminokwasów lub nukleotydów połączonych jednym wiązaniem) podzielonej przez długość łańcucha. Innymi słowy, dłuższe łańcuchy ulegają degradacji szybciej, a stała czasowa rozpadu maleje wprost proporcjonalnie do długości łańcucha. Autorzy podsumowują swoje wyniki w sposób następujący:
Dla polimeru złożonego z n jednostek monomerowych, czyli n-meru, którego stała czasowa rozpadu dimeru wynosi t, stała czasowa rozpadu całego polimeru, przy ogólnych założeniach, jest w przybliżeniu równa t/n. Implikacje tego stwierdzenia dla abiogenezy są poważne: oznacza to, że dostępny byłby bardzo krótki czas (rzędu dni), w którym prebiotyczna sekwencja polimeru kondensacyjnego mogłaby pełnić funkcję głównego nośnika informacji dla ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka wszystkich organizmów .
Mówiąc bardziej szczegółowo, okres półtrwania dipeptydu – dwóch aminokwasów połączonych wiązaniem peptydowym, tak jak w białkach – wynosi około siedmiu lat. W związku z tym polipeptyd o długości 200 aminokwasów, typowy dla wielu białek funkcjonalnych, ma okres półtrwania wynoszący zaledwie 13 dni. W przypadku RNA sytuacja jest jeszcze bardziej krytyczna. Tutaj łańcuch złożony z dwóch nukleotydów ma czas półtrwania wynoszący około 100 dni, co oznacza, że łańcuch RNA o długości 200 nukleotydów uległby degradacji w około 12 godzin. Obie klasy cząsteczek rozpadają się zatem znacznie szybciej, niż mogłyby powstać w naturalnych warunkach, co sprawia, że ich spontaniczne pojawienie się jest skrajnie mało prawdopodobne w scenariuszu niekierowanego pochodzenia życia.
Porównanie tempa
W porównaniu z okresem półtrwania białka, tempo wydłużania łańcucha polipeptydowego w warunkach prebiotycznych jest bardzo wolne. Zespół po kierownictwem Yulinga Yanga wskazał na liczne bariery dla trwałego wzrostu polipeptydów, takie jak powstawanie niepeptydowych wiązań i struktur cyklicznych, ściśle określone wymagania środowiskowe czy niekorzystne warunki termodynamiczne2. Ich analiza wykazuje, że tempo wzrostu musi być znacznie mniejsze niż jeden dodany aminokwas na łańcuch dziennie.
Nawet przy założeniu, że dodawanie jednego aminokwasu dziennie byłoby możliwe, synteza białka złożonego z 200 aminokwasów wymagałaby ponad sześciu miesięcy. Jednak rosnący w ten sposób łańcuch prawie na pewno uległby degradacji w znacznie krótszym czasie. W przypadku RNA wyzwanie jest jeszcze większe – tu okres półtrwania jest znacznie krótszy oraz pojawiają się dodatkowe bariery chemiczne i strukturalne.
Problemy związane z umiejscowieniem wydają się jeszcze trudniejsze do pokonania. Nawet jeśli zasadnicze dla powstania życia białko pojawiłoby się w określonym obszarze zawierającym już rozwijającą się komórkę, to czas potrzebny, aby „odnalazło” ono komórkę w procesie dyfuzji, wielokrotnie przewyższa okres półtrwania tego białka. Czas potrzebny dla takiego odnalezienia można oszacować przy użyciu stałej reakcji przy uwzględnieniu dyfuzji, o której mowa w teorii Smoluchowskiego3:
k = 4πrD
gdzie r to promień komórki, a D to współczynnik dyfuzji białka. A zatem średni czas niezbędny dla odnalezienia się białka i komórki będzie równy objętości obszaru, w którym się znajdują, podzielonej przez k.
Dla standardowego białka czas „odnalezienia” komórki w jednym litrze wody wynosiłby około 10 000 lat4, czyli byłby ponad 100 000 razy dłuższy niż wynosi większość okresów półtrwania białek. Sytuacja komplikuje się dodatkowo dla RNA, którego okres półtrwania jest jeszcze krótszy. Ponadto scenariusze pochodzenia życia z zasady dotyczą środowisk o objętości dalece przekraczającej jeden litr, a synteza podstawowych bloków budulcowych życia wymaga co najmniej ośmiu różnych środowisk, a więc objętość wody, którą białko musiałoby przeszukać, byłaby ogromna5. Białko nigdy nie byłoby w stanie odnaleźć drogi do miejsca powstania życia przed okresem degradacji tego białka.
Przyszłość badań nad pochodzeniem życia
Krótkie okresy półtrwania białek i RNA oraz skala czasowa potrzebna do ich powstania i lokalizacji stanowią nieprzekraczalną przeszkodę dla wszystkich teorii dotyczących pochodzenia życia. Przedstawione powyżej obliczenia odnoszą się do sytuacji niewiarygodnie sprzyjających – bardziej realistyczne analizy tylko potęgowałyby problem. Wyzwania związane ze skalą czasową wynikają z fundamentalnej fizyki biocząsteczek i dyfuzji, dlatego ich rozwiązanie nie wydaje się możliwe.
Badacze zajmujący się pochodzeniem życia stają więc przed wyborem: ignorować te i podobne zasadnicze naukowe wyzwania albo poszerzyć utrzymywane założenia filozoficzne i dopuścić możliwość, że życie mogło powstać w wyniku działania inteligentnego czynnika. Ci, którzy wybierają drugie z tych podejść, mogą z większą uczciwością odnosić się do przesłanek wskazujących na istnienie projektu nawet w najprostszych komórkach. Ta zmiana perspektywy może otworzyć nowe kierunki badań i przełożyć się na znaczący postęp w odkrywaniu tajemnic życia.
Brian Miller
Oryginał: New Article from James Tour Undermines a Pillar of Origin-of-Life Theories, „Science & Culture Today” 2025, July 16 [dostęp: 10 VI 2026].
Przekład z języka angielskiego: Krystian Brzeski
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 10.6.2026
Przypisy
- Por. J.M. Tour, M.C. Parker, Ch. Jeynes, Thermodynamic Limitations on the Natural Emergence of Long Chain Molecules: Implications for Origin of Life, „BioCosmos” 2025, Vol. 5, No. 1, s. 64–71, https://doi.org/10.2478/biocosmos-2025-0010.
- Por. Y. Yang et al., Prebiotic Peptide Synthesis: How Did Longest Peptide Appear?, „Journal of Molecular Evolution” 2025, Vol. 93, s. 193–211, https://doi.org/10.1007/s00239-025-10237-9.
- Por. A. Vijaykumar, P.G. Bolhuisb, P.R. ten Wolde, The Intrinsic Rate Constants In Diffusion-influenced Reactions, „Faraday Discussions” 2016, Vol. 195, s. 421–441, https://doi.org/10.1039/C6FD00104A.
- Por. M. Buchanan, Sizing up Bacteria, „Nature Physics” 2014, Vol. 10, No. 788, https://doi.org/10.1038/nphys3149; D. Brune, S. Kim, Predicting Protein Diffusion Coefficients, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” 1993, Vol. 90, No. 9, s. 3835–3839, https://doi.org/10.1073/pnas.90.9.3835.
- Por. N. Kitadai, S. Maruyama, Origins of Building Blocks of Life: A Review, „Geoscience Frontiers” 2018, Vol. 9, No. 4, s. 1117–1153, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2017.07.007; S. Maruyama et al., Nine Requirements For the Origin of Earth’s Life: Not at the Hydrothermal Vent, But In a Nuclear Geyser System, „Geoscience Frontiers” 2019, Vol. 10, No. 4, s. 1337–1357, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2018.09.011.
Literatura:
1. Brune D., Kim S., Predicting Protein Diffusion Coefficients, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” 1993, Vol. 90, No. 9, s. 3835–3839, https://doi.org/10.1073/pnas.90.9.3835.
2. Buchanan M., Sizing up Bacteria, „Nature Physics” 2014, Vol. 10, No. 788, https://doi.org/10.1038/nphys3149.
3. Kitadai N., Maruyama S., Origins of Building Blocks of Life: A Review, „Geoscience Frontiers” 2018, Vol. 9, No. 4, s. 1117–1153, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2017.07.007.
4. Maruyama S. et al., Nine Requirements For the Origin of Earth's Life: Not at the Hydrothermal Vent, But In a Nuclear Geyser System, „Geoscience Frontiers” 2019, Vol. 10, No. 4, s. 1337–1357, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2018.09.011.
5. Tour J.M., Parker M.C., Jeynes Ch., Thermodynamic Limitations on the Natural Emergence of Long Chain Molecules: Implications for Origin of Life, „BioCosmos” 2025, Vol. 5, No. 1, s. 64–71, https://doi.org/10.2478/biocosmos-2025-0010.
6. Vijaykumar A., Bolhuisb P.G., ten Wolde P.R., The Intrinsic Rate Constants In Diffusion-influenced Reactions, „Faraday Discussions” 2016, Vol. 195, s. 421–441, https://doi.org/10.1039/C6FD00104A.
7. Yang Y. et al., Prebiotic Peptide Synthesis: How Did Longest Peptide Appear?, „Journal of Molecular Evolution” 2025, Vol. 93, s. 193–211, https://doi.org/10.1007/s00239-025-10237-9.