Życie powstało 10 mld lat temu - tak wynika z prawa Moore'a

Jeśli ewolucja życia odpowiada prawu Moore'a, to życie musiało zaistnieć zanim powstała Ziemia. Tak przynajmniej wynika z wyliczeń genetyków - Alexeia Sharova i Richarda Gordona.

Prawo Moore'a, jak sama nazwa wskazuje, zostało zdefiniowane przez założyciela firmy Intel, Gordona Moore'a, który zauważył, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 12 miesięcy. W związku z tym, liczba tranzystorów w mikrochipach rośnie w sposób wykładniczy. Co ciekawe, obserwacji tych dokonał już w połowie lat 60-tych, a sama prawidłowość została przeniesiona także na inne urządzenia elektroniczne. Szczególnie na pojemność dysków czy wielkość pamięci operacyjnej. Zmianie ulegał jedynie czas potrzebny do podwojenia. Obecnie, wynosi podobno 24 miesiące.
Dociekliwym polecam wyliczenie czasu powstania pierwszego mikrochipu na podstawie liczby tranzystorów obecnych we współczesnych układach scalonych. Powinno wyjść ok. 1960 roku, czyli właśnie wtedy, kiedy powstał pierwszy układ scalony.

Prawo Moore'a - liczba tranzystorów w czasie. Ponieważ skala na osi pionowej jest logarytmiczna, korelacja jest liniowa a nie wykładnicza (fig. Wgsimon BY-SA)

Powyższe prawo Moore'a zostało zaadoptowane do wyliczenia początków tworzenia się biologicznej złożoności. Sharov i Gordon wyliczyli, że genetyczna złożoność organizmów podwaja się co 376 mln lat. Umieścili to na wykresie, gdzie złożoność genetyczna przedstawiona jest w skali logarytmicznej. Linia korelacji (regresji) genetycznej złożoności przecina się z osią czasu ok. 9,7 mld lat temu. Zatem, to byłby czas powstania pierwszej pary nukleotydów czyli powstania życia (samoreplikujących się cząsteczek).

Linia regresji dla głównych form życia na Ziemi przecina się z osią czasu na liczbie 9,7 mld (fig. Sharov & Gordon, 2013).

Gdyby to była prawda, to okazuje się, że potrzeba było 5 mld lat do powstania komórek o bakteryjnym stopniu skomplikowania genetycznego. Ponadto, środowisko powstania życia było zupełnie różne od ziemskiego (Ziemia powstanie dopiero za 5 mld lat przecież). Ale jeszcze ciekawsze jest to, że przed bakteriami znanymi z ziemskich osadów prekambru nie było w naszym Wszechświecie innych, bardziej złożonych form życia. Tym bardziej inteligentnych istot, które mogłyby odwiedzić młodą Ziemię i "zaszczepić" na niej życie.

Przy okazji autorzy rozprawiają się także z równaniem Drake'a, które wyliczało prawdopodobną liczbę cywilizacji technologicznych w naszej Galaktyce. Takie cywilizacje po prostu dopiero powstają, podobnie do ziemskiej. Jednocześnie, w takich cywilizacjach możemy zaobserwować przyspieszanie złożoności poprzez dodanie systemów opracowywania informacji, np. książki, komputery czy internet. W rezultacie postęp technologiczny umożliwia podwajanie złożoności co ok. 20 lat.

No i powraca oczywiście teoria panspermii, tym razem w nowej odsłonie.

Źródła:
Alexei A. Sharov, & Richard Gordon (2013). Life Before Earth arXiv arXiv: 1304.3381v1
fot. w nagłówku Photo Credit: jurvetson via Compfight cc

Czytaj więcej

Powstanie życia na Ziemi, czyli który cukier tuczy a leki leczą

Pierwszy śnieg tej zimy, pierwsze rękawiczki i powracające skojarzenia z chiralnością cząsteczek. A jak chiralność, to aminokwasy, a jak aminokwasy i zima, to oczywiście powstanie życia na Ziemi. A jak powstanie życia, to panspermia i meteoryty. A w tym roku łączy się to z aminokwasami z kanadyjskiego upadku meteorytu w rejonie jeziora Tagish. Znaleziono w nim L-asparaginę używaną do produkcji aspartamu.

Kiedy Miller i Urey wykonywali w latach 50-tych ubiegłego wieku swój eksperyment z wytwarzaniem prostych aminokwasów przy pomocy oparów amoniaku, metanu, pary wodnej i wyładowań elektrycznych, wydawało się, że zagadka powstania życia została rozwiązana i proste związki organiczne mogą powstawać niemalże w tak banalny sposób jak alanina i glicyna.

Eksperyment Millera-Ureya (Carny CC-BY-2.5)

Problem w tym, że od aminokwasów z kolby Millera do syntezy białek jest bardzo daleka droga. Ponadto w eksperymencie Millera-Ureya otrzymano zarówno aminokwasy L- jak i D-. Tymczasem wszystkie znane aminokwasy występujące w białkach to L-aminokwasy. Gdyby synteza białek przebiegała w środowisku podobnym do kolby Millera, powinniśmy mieć oba aminokwasy, L i D w białkach - nie różnią się właściwościami. Tak się nie stało. Dlaczego? Jest to jedna z zagadek powstania życia na Ziemi, która jak bumerang wraca na naukową kanwę. Ostatnio za sprawą meteorytu z jeziora Tagish w Kanadzie.

Co to są aminokwasy L i D?

Zróżnicowanie na aminokwasy L i D związane jest z tzw. chiralnością cząsteczek. Brzmi to bardzo naukowo, ale jak skojarzy się komuś z chiromancją, to będzie dobrze. Chiralność cząsteczek to cecha symetrii podobna do symetrii lewej i prawej dłoni. Łatwo takie cząsteczki wyobrazić sobie jak lewą i prawą rękawiczkę (uwaga: przykład działa tylko na rękawiczce pięciopalczastej, z odrębnie doszytym kciukiem). O chiralności można też myśleć zakładając rękawiczki. Choćbyśmy nie wiem jak obracali lewą rękawiczkę, to nijak nie będzie nam pasowała do prawej dłoni, mimo, że jej odbicie lustrzane jest identyczne z prawą rękawiczką.

Cząsteczki chiralne L- i D-aminokwasów

Takie dwie cząsteczki - izomery, które są swoimi lustrzanymi odbiciami nazywamy enancjomerami. Enancjomerami mogą być np. aminokwasy. W eksperymencie Millera-Ureya otrzymano oba enancjomery prawe i lewe (D- i L-aminokwasy), ale w naturalnych białkach występują tylko L-aminokwasy. Mało tego, syntetyczne białka zawierające mieszaninę enancjomerów aminokwasów nie funkcjonują prawidłowo.

D-aminokwasy są obrócone w prawo (ang. dextrorotation), zaś L-aminokwasy są obrócone w lewo (ang. levorotation). Kobiety rozpoznają lewą dłoń po tym, że ma kciuk z prawej strony, a to dlatego, że dłonie oglądają z zewnętrznej strony, w ten sposób, że kciuki skierowane są do środka. W przypadku chiralności cząsteczek, dłonie otwieramy, kciukami na zewnątrz. Więc L-aminokwasy to lewa dłoń. I tylko takie występują w białkach, jakie znamy na Ziemi. Wszystkie 21 aminokwasów, to L-aminokwasy.

Mieszanina racemiczna a powstanie życia na Ziemi

Wróćmy jeszcze raz do Millera i Ureya. Mieszankę, którą otrzymali można nazwać racemiczną, gdyż występowały w niej oba enancjomery białek. Nie trzeba wielkiego wysiłku umysłowego by stwierdzić, że taka mieszanka nie doprowadziłaby do powstania białek zawierających tylko L-aminokwasy, skoro było ich tylko połowę. Co się stało z pozostałymi D-aminokwasami? A może ich w ogóle nie było? Mogło ich nie być od początku, wtedy eksperyment Millera-Ureya i synteza aminokwasów, to tylko zabawa chemików, która nie ma nic wspólnego z powstaniem życia. Wracamy zatem do punktu wyjścia.

Ale można inaczej tłumaczyć. Mieszanka racemiczna aminokwasów została w jakiś sposób zmieniona, tak aby pozostały w niej tylko L-aminokwasy. Tu z pomocą przyszedł meteoryt z jeziora Tagish w subarktycznej Kanadzie.

Upadek meteorytu wyjaśnia wszystko

W styczniu 2000 r. nad jeziorem Tagish ok. 30 km nad ziemią eksplodował  spory meteoryt. Rozbłysk światła był na tyle silny, że wiele osób wyruszyło na poszukiwania szczątków, które spadły na ziemię. Do tej pory znaleziono ok. 500 fragmentów. Szczególnie ważne dla badaczy było to, że fragmenty spadły do wiecznej zmarzliny i zostały znalezione niemal natychmiast po upadku, więc prawdopodobieństwa zanieczyszczenia jakimiś substancjami ziemskimi było niewielkie.

Meteoryt z jeziora Tagish (NASA, Public Domain)

Znalezione fragmenty przebadano gruntownie i stwierdzono w nich obecność aminokwasów. Najważniejsze jest jednak to, że po raz pierwszy uzyskano dane dotyczące chiralności nieorganicznych aminokwasów przybywających do nas z kosmosu. L-aminokwasów w meteorycie było 4 razy więcej niż D-aminokwasów.

Wygląda na to, że w Układzie Słonecznym z jakichś powodów występuje nadmiar L-aminokwasów. Zmienia to też nasze wyobrażenia o początkach życia na Ziemi. Wygląda na to, że aminokwasy powstały bardzo wcześnie, jeszcze na etapie tworzenia się planetozymali i były na młodej Ziemi od początku. L-aminokwasy związane są raczej z początkiem Układu Słonecznego, a nie samej Ziemi.

No to dlaczego cukier nie tuczy a leki leczą?

No właśnie, tym przeważającym L-aminokwasem z meteorytu była asparagina. Co ciekawe, innym aminokwasem w meteorycie była alanina, która nie wykazywała przewagi żadnego enancjomeru. Badania izotopowe wykazały, że żaden z aminokwasów nie jest biogeniczny i powstał w czasie formowania się Układu Słonecznego. Być może promieniowanie spolaryzowanego światła ultrafioletowego w tym czasie faworyzowało powstawanie L-aminokwasów. Jeśli tak było, życie w Układzie Słonecznym, a być może wszędzie oparte będzie zawsze na L-aminokwasach.

Słowem, organizmy żywe ewoluowały w środowiskach gdzie występowały tylko L-aminokwasy i tylko takie są przez nie przyjmowane. To rozróżnianie chiralności ma kapitalne znaczenia dla ludzkości. Okazuje się, że część związków, np. glukoza jest przyswajalna przez organizm w zależności do tego jaki enancjomer zawiera. Jedna glukoza tuczy, inna o odwrotnej chiralności nie.

Na podobnej zasadzie działają też niektóre leki. Ich przyswajalność zależy od składu enancjomerów. Być może na tym polega różnica pomiędzy lekami różnych producentów, których skład chemiczny jest taki sam, jednak skuteczność bywa różna. Słynnym przykładem jest talidomid. Kiedy lek wprowadzano na rynek, nie wiedziano o właściwościach enancjomerów. Lek podawany był kobietom w ciąży. Z biegiem czasu okazało się, że jeden enancjomer ma właściwości lecznicze, a drugi uszkadza płód.

Ofiara enancjomerów w talidomidzie (NCP14053)

 I jeszcze jedno. Enancjomery różnych związków organicznych w żywności zmieniają się wskutek ich przetwarzania. Surowe jabłko to nie to samo co pasteryzowany sok jabłkowy. Podobnie z mlekiem, UHT to już nie jest mleko krowie. Właściwości odżywcze żywności przetworzonej są znacznie mniejsze. Nic nie zastąpi surowych owoców i warzyw o właściwej chiralności cząsteczek. Aby temu zapobiec stosuje się analizę chiralności cząsteczek, np. w mleku UHT, ale jak wiadomo, proces taki nie jest idealny.

ps. Post dedykuję Mariuszowi Rospondkowi dziękując niniejszym za stymulującą dyskusję.

Fot. w nagłówku by fdecomite CC-BY

Czytaj więcej

Co na Ziemię przyniosły meteoryty?

Wiemy już ile jest wody na Ziemi, ale problem pojawienia się wody na Ziemi co pewien czas powraca na naukową wokandę. Do tej pory, za główne źródło wody uważano komety. Ostatnie badania wskazują jednak, że woda może pochodzić z meteorytów.

Słabością teorii wody z komet była niezgodność składu izotopowego pomiędzy wodą ziemską a wodorem uwięzionym w lodzie wodnym jądra komety. Tym tropem poszli badacze, którzy postanowili przeanalizować ilość ciężkiego izotopu wodoru (deuteru) w stosunku do zawartego w meteorytach z grupy meteorytów kamiennych tzw. chondrytów. Do analizy wzięto 86 próbek pochodzących z chondrytów węglistych.

Z dotychczasowych ustaleń wynika, że im dalej od Słońca tworzył się obiekt w Układzie Słonecznym, tym jest bogatszy w deuter. Okazało się, że analizowane chondryty zawierają znacznie mniej deuteru niż lód w kometach. Znaczy to mniej więcej tyle, że powstały znacznie bliżej Słońca niż komety. Nie jest to wielkie zaskoczenie, gdyż już od dawna podejrzewano, że większość meteorytów pochodzi z pasa planetoid, który rozciąga się pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza.

Kratery na Księżycu widoczne dzisiaj z Ziemi gołym okiem są efektem wielkiego bombardowania młodego Księżyca (po prawej) (rys. Timwether CC-BY-SA)

Co prawda, początki tworzenia się Ziemi i wody na niej sięgają ponad 4 miliardów lat wstecz, więc trudno wyobrazić nam sobie ówczesny Układ Słoneczny. Jednak chondryty węgliste powstały raczej bliżej niż dalej od Słońca, w pobliżu planet typu ziemskiego. Całość wydarzyła się w epoce zwanej wielkim bombardowaniem (ok. 4 mld lat temu), kiedy w młodym Układzie Słonecznym dochodziło do częstych kolizji planetzymali czy też protoplanet. Przez okres ok. 200 mln lat w Ziemię mogło uderzyć naprawdę sporo chondrytów, i to dużych rozmiarów, które dostarczyły mnóstwa składników lotnych. Oprócz wodoru przyniosły one na Ziemię także azot i węgiel, a być może także proste związki organiczne, które stały się zalążkiem życia. Alexander wraz zespołem (2012) twierdzą, że chondryty węgliste były głównym źródłem składników lotnych tworzącej się Ziemi (Alexander et al., 2012). 

Źródła:
C. M. O’D. Alexander, R. Bowden, M. L. Fogel, K. T. Howard, C. D. K. Herd, L. R. Nittler (2012). The Provenances of Asteroids, and Their Contributions to the Volatile Inventories of the Terrestrial Planets Science DOI: 10.1126/science.1223474

Fot. w nagłówku: Meteoryt węglisty NWA 3118 (zgład). Autor: Mario Müller (CC-BY-SA-3.0-DE)

Czytaj więcej