Powstanie pierwszych samoreplikujących się cząsteczekCzas czytania: 12 min

Od redakcji Science & Culture Today: Mamy przyjemność zaprezentować serię artykułów Waltera Bradleya i Caseya Luskina dotyczącą zagadnienia „Czy pierwsze życie powstało w sposób w pełni naturalny?”. Niniejszy artykuł stanowi zmodyfikowaną część rozdziału opublikowanego w książce The Comprehensive Guide to Science and Faith: Exploring the Ultimate Questions About Life and the Cosmos [Wyczerpujący przewodnik po nauce i wierze. Rozważania dotyczące podstawowych pytań o życie i kosmos] i ukazuje się jako szósty w serii.

W trakcie prowadzonego przez Stanleya L. Millera seminarium, na które uczęszczałem (Casey Luskin), gdy odbywałem studia licencjackie na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, dr Miller uczył nas, że „tworzenie związków chemicznych i tworzenie życia to dwie różne sprawy”¹. W próbie wykazania możliwości zajścia konwersji bogatych w energię, znajdujących się w fazie gazowej związków chemicznych na aminokwasy i inne monomery biomolekularne stosowano wiele wariantów układu eksperymentalnego opracowanego przez Stanleya Millera. Nawet jednak w najmniejszym stopniu nie wystarczy to do wytworzenia życia. Każde wyjaśnienie pochodzenia życia musi obejmować wiarygodne szklaki biochemiczne prowadzące od indywidualnych biologicznych cegiełek budulcowych, takich jak aminokwasy albo kwasy nukleinowe, do funkcjonalnych polimerów, takich jak białka i DNA. Wyjaśnienie pochodzenia życia musi też uwzględniać sposoby przyspieszania reakcji chemicznych, które normalnie przebiegają powolnie. W komórkach żywych długie łańcuchy aminokwasów fałdują się w trójwymiarowe struktury, które umożliwiają im funkcjonowanie jak enzymy znacznie przyspieszające reakcje chemiczne. Jak takie cząsteczki mogły powstać, zanim zaistniało życie? Co ważniejsze, każdy model pochodzenia życia musi tłumaczyć bardzo szczególne sekwencje tych cząsteczek – czyli uporządkowanie aminokwasów w białkach i zasad azotowych nukleotydów w DNA umożliwiające ich prawidłowe funkcjonowanie. Jest to równoznaczne z wyjaśnieniem kluczowego aspektu życia: powstania jego informacji, czyli tego, co zwolennicy teorii inteligentnego projektu nazywają „problemem sekwencji informacyjnej”.

Najpopularniejsza propozycja

Według niektórych teoretyków pochodzenie życia jest utożsamiane z naturalnym powstaniem samoreplikującego się systemu, który może podlegać ewolucji darwinowskiej². Najpopularniejszą propozycją pierwszej samoreplikującej się cząsteczki jest RNA – uważa się, że życie opierało się najpierw na RNA zarówno przenoszącym informację genetyczną (podobnie do współczesnego DNA), jak i pełniącym funkcje katalityczne (podobnie do współczesnych enzymów). Chodzi tutaj o tak zwany świat RNA. Zanim zagłębimy się w to zagadnienie, warto najpierw wspomnieć o konferencji zorganizowanej w 1986 roku przez International Society for the Study of the Origin of Life (ISSOL) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, ponieważ pomoże nam to w ocenie postępu poczynionego w zakresie badań pochodzenia życia w latach 1952–1986.

Byłem (Walter Bradley) na tej konferencji i uczestniczyłem w sesjach plenarnych poświęconych ożywionej debacie między naukowcami, którzy uważali, że pierwsze życie było oparte na DNA („najpierw DNA”), a naukowcami, którzy sądzą, że pierwszymi cząsteczkami biologicznymi były białka („najpierw białka”). Żadnej z tych grup naukowców nie udało się jeszcze zsyntetyzować w wiarygodnych warunkach ani białka, ani DNA. Białka mogą działać jako katalizatory chemiczne. Jednym z rezultatów tej konferencji było poczucie, że ani hipoteza „najpierw białka”, ani hipoteza „najpierw DNA” nie oferują obiecujących szlaków, dzięki którym dałoby się wyjaśnić powstanie życia. Problem ze wskazaniem wiarygodnego szlaku biochemicznego prowadzącego do powstania życia, którego punktem wyjścia byłby DNA albo białka, otworzył drogę dla nowych, alternatywnych wyjaśnień. W 1986 roku hipoteza świata RNA zaczynała zyskiwać coraz większą popularność jako alternatywa dla hipotez „najpierw DNA” i „najpierw białka”.

Podczas ostatniej sesji plenarnej czołowy badacz pochodzenia życia Robert Shapiro mówił o hipotezie świata RNA i ocenił wcześniej przejrzaną przez siebie literaturę biochemiczną dotyczącą syntezy cząsteczek RNA w warunkach odpowiadających tym, które zdaniem naukowców panowały na wczesnej Ziemi. Jego wniosek był szokujący. Shapiro zauważył, że w artykule opublikowanym w 1986 roku wskazywano na wielokrotne przeprowadzenie syntezy RNA w warunkach prebiotycznych, o czym pisano w artykule z 1985 roku i co sugerowano w innych publikacjach. Artykuł z 1985 roku nie był jednak sprawozdaniem z oryginalnych badań, lecz odsyłał do artykułu z 1984 roku i publikacji wcześniejszych, sięgających aż 1968 roku, ale żadna z tych prac nie przedstawiała oryginalnych wyników. Po bliższej analizie artykułu z 1968 roku okazało się, że jego autorzy sądzili, iż byliby w stanie zsyntetyzować cząsteczki RNA w warunkach prebiotycznych, ale podjęte przez nich próby się nie powiodły.

Pięć ogromnych przeszkód

Shapiro przedstawił następnie pięć ogromnych przeszkód dla tego biochemicznego szlaku od chemii prebiotycznej do pierwszych układów ożywionych. Pod koniec tej ekscytującej prezentacji na sali wypełnionej w większości najaktywniejszymi badaczami pochodzenia życia zapadła kompletna cisza. Przewodniczący tej sesji, który był redaktorem renomowanego czasopisma „Origins of Life and Evolution of Biospheres”, kilkakrotnie prosił oniemiałych słuchaczy o pytania. To był jedyny raz w mojej (Waltera Bradleya) karierze zawodowej, gdy uczestniczyłem w sesji plenarnej z naukowcami i inżynierami, podczas której nie padły żadne pytania. Przewodniczący nie czekał więc dłużej i zamknął sesję, zadając własne pytanie: „Robert, czy musisz być takim pesymistą?”. Robert nie odpowiedział, ale mógłby powiedzieć, że pozwolił, aby przemówiły dane, a dane ukazywały bardzo pesymistyczny obraz.

Bieg historii potwierdził pesymizm Shapiro, ale pomimo wskazanych przez niego trudności, świat RNA wciąż pozostaje najpopularniejszym modelem pochodzenia życia. Hipoteza świata RNA oraz twierdzenie, że samoreplikująca się cząsteczka RNA powstała zupełnie przypadkowo, natrafiają jednak na poważne problemy.

Po pierwsze, w warunkach laboratoryjnych nie udało się zsyntetyzować RNA bez pomocy wykwalifikowanego chemika, który inteligentnie kieruje tym procesem. Badacz pochodzenia życia Steven A. Benner wyjaśnił, że główną przeszkodą na drodze do naturalnego wytworzenia RNA jest to, że „RNA wymaga do funkcjonowania wody, ale nie może powstać w wodzie i nie może się w niej utrzymywać bez dokonywania napraw”, co ma związek z „gwałtownym i nieodwracalnym” szkodliwym oddziaływaniem wody na RNA³. Jak tłumaczy Benner, ten „paradoks wody” polega na tym, że „życie zdaje się potrzebować pewnej substancji (wody), która jest ze swojej natury toksyczna dla niezbędnych do życia polimerów (na przykład RNA)”⁴.

Aby obejść te problemy, Benner i inni chemicy starannie zaprojektowali warunki eksperymentalne, które sprzyjają produkcji RNA. Robert Shapiro wyjaśnił jednak, że te eksperymenty nie symulują warunków naturalnych: „Mamy tutaj do czynienia z błędem logicznym – że taka kontrola, jaką badacze sprawują nad eksperymentem we współczesnym laboratorium, była dostępna na wczesnej Ziemi”⁵. Dokonując przeglądu prób skonstruowania RNA w warunkach laboratoryjnych, James Tour również uznał, że „warunki eksperymentalne zostały inteligentnie dobrane”, ale w świecie przyrody „kontrolowane warunki wymagane do wytworzenia” RNA „są zatrważająco mało prawdopodobne”⁶. Badacze pochodzenia życia Michael P. Robertson i Gerald F. Joyce uznali nawet kwestię naturalnego powstania RNA za „koszmar chemika prebiotycznego” związany z „trudnymi w obróbce mieszaninami uzyskiwanymi w eksperymentach zaprojektowanych do symulowania chemii istniejącej na prymitywnej Ziemi”⁷. Koniec końców te eksperymenty dowodzą tylko jednego: RNA może powstać jedynie wskutek inteligentnego projektu.

Drugi problem

Współcześnie RNA może przenosić informację genetyczną, ale zwolennicy hipotezy świata RNA twierdzą, że w przeszłości RNA pełnił również katalityczne funkcje tak jak dzisiejsze enzymy. Drugi problem trapiący hipotezę świata RNA polega na tym, że cząsteczki RNA nie wykazują zbyt wielu takich właściwości, jakie umożliwiają białkom odgrywanie roli cząsteczek operacyjnych w komórce. Wprawdzie wykazano, że RNA pełni różne funkcje, ale nic nie świadczy o tym, że jest w stanie pełnić wszystkie niezbędne funkcje komórkowe⁸. Jak stwierdzono w jednym z artykułów, białka „milion razy bardziej nadają się do bycia katalizatorami niż RNA”, a „katalityczny repertuar RNA jest za bardzo ograniczony”⁹.

Pochodzenie informacji

Najbardziej fundamentalnym problemem hipotezy świata RNA jest jej niezdolność do wyjaśnienia powstania informacji w pierwszej samoreplikującej się cząsteczce RNA – specjaliści mówią, że taka cząsteczka musiałaby mieć co najmniej sto zasad azotowych nukleotydów długości, a może nawet między dwieście a trzysta¹⁰. Jak w RNA powstał prawidłowy układ zasad azotowych nukleotydów umożliwiający utworzenie życia? Nie znamy żadnych praw chemii ani fizyki, które mogłyby za to odpowiadać. Jeśli chodzi o wyjaśnienie układu zasad azotowych w pierwszej samoreplikującej się cząsteczce RNA, to badacze pochodzenia życia mogą powołać się co najwyżej na ślepy przypadek. Jak już wcześniej wspomnieliśmy, zwolennicy teorii inteligentnego projektu nazywają tę przeszkodę problemem sekwencji informacyjnej, ale również wielu badaczy głównego nurtu dostrzegło bardzo małe prawdopodobieństwo naturalnego wytworzenia precyzyjnej sekwencji RNA, bez której nie mogłoby dochodzić do replikacji. Shapiro ujął ten problem następująco:

Hipoteza, że życie zostało zapoczątkowane przez RNA albo jakiś inny replikator, natrafia na poważną trudność. Istniejące replikatory mogą służyć jako matryce dla syntezy dodatkowych kopii samych siebie, ale nie były one dostępne przy tworzeniu pierwszej takiej cząsteczki na świecie, która musiała powstać spontanicznie z jakiejś nieuporządkowanej mieszaniny. Utworzenie niosącego informację homopolimeru drogą niekierowanej syntezy chemicznej wydaje się bardzo mało prawdopodobne¹¹.

W innym artykule Shapiro zauważył, że „nagłe pojawienie się dużych samokopiujących się cząsteczek, takich jak RNA, jest niemal niemożliwe”, ponieważ „prawdopodobieństwo powstania dłuższych łańcuchów jest […] tak niezwykle małe, że nawet jednorazowy sukces byłby wyjątkowo szczęśliwym trafem”¹². W artykule opublikowanym w 2020 roku na łamach czasopisma „Scientific Reports” znajduje się podobne spostrzeżenie: „Abiotyczne powstanie uporządkowanej informacji przechowywanej w formie RNA to ważny, ale nierozwiązany problem pochodzenia życia”, ponieważ „utworzenie takiego długiego polimeru z prawidłową sekwencją zasad azotowych nukleotydów wskutek losowych reakcji wydaje się – statystycznie rzecz biorąc – mało prawdopodobne”¹³. Steven Benner wskazuje na „paradoks potrzeby informacji” polegający na tym, że samoreplikujące się cząsteczki RNA byłyby „zbyt długie, aby mogły powstać spontanicznie”¹⁴ z dostępnych cegiełek budulcowych. Benner zwraca też uwagę na dodatkowy problem logiczny związany z tym, że wytworzenie cząsteczki RNA zdolnej do katalizowania własnej replikacji jest znacznie mniej prawdopodobne niż utworzenie cząsteczek RNA katalizujących proces niszczenia RNA. Wskazuje to na poważną trudność teoretyczną, ponieważ zwolennicy hipotezy świata RNA mają do czynienia z „teorią chemiczną implikującą, że naturalnym skutkiem nie są organizmy żywe, lecz destrukcja”¹⁵.

Nieustępliwy problem

We wspomnianym wyżej artykule w „Scientific Reports” zaproponowano rozwiązanie tych trudności, które świadczy tylko o tym, że mamy do czynienia z nieustępliwym problemem: autor doszedł do wniosku, że ponieważ utworzenie jednej samoreplikującej się cząsteczki RNA jest zbyt mało prawdopodobne w obserwowalnym Wszechświecie, więc Wszechświat musi być znacznie większy niż ten dostępny naszym obserwacjom – musi to być „Wszechświat inflacyjny”, który zwiększa zasoby probabilistyczne do tego stopnia, że mało prawdopodobne zdarzenie staje się prawdopodobne. Przypomina to odpowiedź materialistów na precyzyjne dostrojenie stałych fizycznych i praw fizyki: gdy obserwowana specyficzność przyrody zdaje się wskazywać na projekt, wyobrażają oni sobie wieloświat, który pozwalałby pokonać przeszkody probabilistyczne. Jeśli zwolennicy hipotezy świata RNA jako wyjaśnienia pochodzenia życia powołują się na wieloświat, aby uniknąć sfalsyfikowania swojej koncepcji, to oczywiste jest, że ich propozycja jest obciążona poważnymi problemami.

Walter Bradley, Casey Luskin

Oryginał: Origin of the First Self-Replicating Molecules, „Science & Culture Today” 2022, September 25 [dostęp: 17 X 2025].

Przekład z języka angielskiego: Dariusz Sagan

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 17.10.2025

Literatura: