Poznaliśmy ulubione "danie" pierwszych ziemskich organizmów. Był nim wodór

Zespół biologów z Uniwersytetu w Düsseldorfie przedstawił własny model abiogenezy. Zdaniem Niemców, przejście z materii nieożywionej do najwcześniejszych form życia dokonało się samoistnie, a głównym paliwem pradawnych komórek był wodór.

Wszystkie ziemskie organizmy pozostają ze sobą spokrewnione i pochodzą od wspólnego przodka, określanego przez uczonych mianem LUCA (ostatni uniwersalny wspólny przodek). Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, była to prymitywna samoreplikująca struktura ze szczątkowym metabolizmem, istniejąca około 3,5 miliarda lat temu.

LUCA nie mógł posiadać złożonych mechanizmów molekularnych, które w toku ewolucji nabyły współczesne komórki. Pojawia się zatem pytanie, w jaki sposób doszło do wykształcenia najbardziej podstawowych reakcji metabolicznych, będących fundamentem dla wszystkich późniejszych form życia? Co było motorem napędowym najwcześniejszego etapu ewolucji?

W artykule opublikowanym na łamach Frontiers in Microbiology, niemieccy biolodzy stawiają tezę, wedle której główne paliwo dla pradawnych komórek i kluczowy czynnik ich wzrostu stanowił wodór. Zespół kierowany przez Jessicę Wimmer doszedł do tego wniosku analizując 402 reakcje biochemiczne, obecne w procesach metabolicznych wszystkich współczesnych mikroorganizmów. Założono, że najbardziej powszechne sposoby dostarczania strukturom organicznym niezbędnych aminokwasów lub witamin, powinny być również tymi najstarszymi, towarzyszącymi ziemskiemu życiu od jego narodzin.

"W początkach metabolizmu niecałe 4 miliardy lat temu, enzymy umożliwiające reakcje we współczesnych komórkach nie istniały, ponieważ jeszcze się nie rozwinęły. Metabolizm musiał więc wynikać z reakcji, które zachodziły w tamtym czasie spontanicznie w środowisku; być może z pomocą katalizatorów nieorganicznych. Wiemy, że powierzchnie skał zawierające metale mogą katalizować takie reakcje i je promować" – tłumaczy Jassica Wimmer.

W serii eksperymentów naukowcy poddali testom bilans energetyczny dla wybranych reakcji w różnych warunkach. Co najważniejsze, dowiedziono, że niemal wszystkie mogą sprawnie funkcjonować w temperaturach dochodzących do 100 stopni Celsjusza, przy wysokim pH wody, w obecności wodoru, amoniaku, fosforanów oraz dwutlenku węgla. Są to warunki jakie towarzyszyły okolicom kominów hydrotermalnych, w głębinach oceanicznych dawnej Ziemi. Uczeni od dawna podejrzewają, że to właśnie w takich miejscach mogły narodzić się pierwsze organizmy.

Istotnym wnioskiem płynącym z badań w Düsseldorfie jest nowe spojrzenie na znaczenie atomów wodoru. Wiemy, że gorąca woda wokół źródeł hydrotermalnych zawierała wodór powstający podczas wietrzenia skał. Mógł on pełnić rolę reduktora chemicznego, jak również reagować z dwutlenkiem węgla tworząc przydatne biologicznie węglowodory, takie jak metan.

Wszystko to oznacza, że metabolizm LUCA w odpowiednich warunkach miał prawo rozwinąć się samoistnie, bez wcześniejszego, osobnego powstania złożonych enzymów lub białek. Do ukształtowania pierwotnych form życia nie były też konieczne dodatkowe impulsy energetyczne, takie jak wyładowania atmosferyczne lub światło słoneczne. Wczesny metabolizm był napędzany przede wszystkim przez wodór i proste reakcje chemiczne.

Więcej informacji znajdziesz w źródle: J. Wimmer, J. Xavier, A. Vieira, Energy at Origins: Favorable Thermodynamics of Biosynthetic Reactions in the Last Universal Common Ancestor (LUCA), "Frontiers in Microbiology".