Jak zaczęło się życie? Nigdy nie będziemy wiedzieć z całą pewnością, jak wyglądała Ziemia cztery miliardy lat temu, ani jakie reakcje doprowadziły do powstania życia w tamtym czasie, ale jest inny sposób na postawienie tego pytania. Jeśli zapytamy „jak może zacząć się życie?” zamiast „jak zaczęło się życie”, ta prosta zamiana czasowników daje nadzieję. Wydaje się możliwe, że możemy zademonstrować serię oczywistych kroków w kierunku powstania życia, być może prowadzących do stworzenia syntetycznej wersji życia w laboratorium. Wtedy będziemy w stanie udzielić satysfakcjonującej odpowiedzi na drugie pytanie: Jak może rozpocząć się życie na Ziemi i innych planetach nadających się do zamieszkania?
Pierwszy krok w kierunku życia wiąże się z fundamentalnym pytaniem, na które możemy odpowiedzieć: Skąd wzięły się pierwiastki życia? Przyjrzyj się uproszczonemu układowi okresowemu poniżej. Widzisz sześć pierwiastków w kolorze zielonym? To są pierwiastki biogenne.
Jeśli zsumować wszystkie atomy tworzące żywą komórkę, te sześć stanowi blisko 99% składu pierwiastkowego białek, kwasów nukleinowych i błon komórkowych. Życie potrzebuje tych sześciu elementów, ale działa tylko wtedy, gdy elementy te połączą się w molekuły.
Zastanówmy się, co się stanie, jeśli połączymy dwa lub więcej elementów w związek. Węgiel i wodór, na przykład, stają się węglowodorami, a łańcuchy węglowodorowe w błonach komórkowych są niezbędnym składnikiem życia. Jeśli pozwolimy na połączenie trzech pierwiastków, takich jak węgiel, wodór i tlen, otrzymamy węglowodany, takie jak cukier i celuloza. Pięć pierwiastków – węgiel, wodór, tlen, azot i siarka – tworzy aminokwasy białek, a jeśli zamienimy fosfor na siarkę, pięć pierwiastków tworzy również kwasy nukleinowe, takie jak DNA. Nawet jeśli znamy ostateczne źródło pierwiastków biogennych, musimy również wiedzieć, w jaki sposób stają się one związkami, a następnie jak związki te stały się wystarczająco złożone, by na sterylnej Ziemi cztery miliardy lat temu mogło powstać życie.
Teraz możemy wrócić do źródła pierwiastków biogennych. Z jednym wyjątkiem, pierwiastki biogenne występujące we wszystkich formach życia na Ziemi, w tym pierwiastki krzemu i żelaza (z których składa się sama Ziemia), zostały zsyntetyzowane w gwiazdach. Wyjątkiem jest wodór, a jedynym powodem, dla którego jest on obecny na Ziemi jako jeden z pierwiastków biogennych, jest to, że wodór w wodzie – H2O – miał szczęście nie zostać pochwycony przez Słońce, gdy tworzył się nasz Układ Słoneczny. W rzeczywistości, jeśli chodzi o liczbę atomów, wodór stanowi około 70 procent wszystkich atomów w życiu na Ziemi.
Jak elementy życia mogłyby pochodzić z gwiazd? W 1946 roku Fred Hoyle, młody brytyjski astronom, wpadł na pewien pomysł. Hoyle był pełen pomysłów i odważnie opublikował większość z nich, ale tylko jeden przetrwał eksperymentalne i teoretyczne testy. Aby zrozumieć jego pomysł, musimy przypomnieć sobie trochę chemii z liceum. Cała materia składa się z atomów, a wszystkie atomy mają maleńkie jądro złożone z cząstek zwanych protonami i neutronami, które są otoczone przez orbitalne chmury znacznie lżejszych elektronów. Jednak w gwiazdach temperatura jest tak wysoka, że elektrony odpadają, więc gwiazdy takie jak nasze Słońce składają się z gazu złożonego z nagich jąder atomowych, głównie wodoru i helu. Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem, posiadającym w swoim jądrze pojedynczy proton, a hel jest drugim najlżejszym pierwiastkiem, posiadającym w swoim jądrze dwa protony i dwa neutrony. Kiedy temperatura jest wystarczająco wysoka, około 10 milionów stopni, hydrogeny łączą się, tworząc hel i uwalniając ogromną ilość energii. To właśnie ta energia sprawia, że gwiazdy świecą.
Błyskotliwe spostrzeżenie Hoyle’a polegało na tym, że druga reakcja fuzji zaczyna się, gdy gwiazda zbliża się do końca swojego życia, a jej temperatura zbliża się do 100 milionów stopni. W tym momencie dwa jądra helu łączą się, tworząc beryl, najlżejszy pierwiastek metaliczny, który następnie może połączyć się z innym jądrem helu, tworząc węgiel. Już wcześniejsze modele teoretyczne pokazywały, że jeśli w gwieździe dostępny jest węgiel, to azot i tlen mogą powstawać w procesie zwanym cyklem węglowo-azotowo-tlenowym, który jest podstawowym źródłem energii syntezy jądrowej w dużych, gorących gwiazdach na ich drodze do stania się nowami i supernowymi. Modele te nie uwzględniały źródła węgla, i to właśnie tutaj Hoyle wypełnił lukę.
Podsumowując, atomy węgla, azotu, tlenu, siarki i fosforu, z których składa się całe życie na Ziemi, zostały wykute w gwiazdach w temperaturach gorętszych niż jakakolwiek bomba wodorowa. Jako żywe organizmy nie jesteśmy w żaden sposób oddzieleni od reszty wszechświata. Zamiast tego pożyczamy maleńki ułamek jego atomów na kilka lat i włączamy je do przemijających struktur molekularnych komórek, które są żywą jednostką całego życia na Ziemi.
Featured image credit: „Mgławica Motyl w wąskim paśmie siarki, wodoru i tlenu” autorstwa Stephana Hamela. CC BY-SA 4.0 via Wikimedia.