C'është jeta.?Në kërkim të origjinës.

C'është jeta.?Në kërkim të origjinës.





Si ka nisur jeta? Është pa dyshim një prej pyetjeve më të rëndësishme të biologjisë. Por edhe një prej më të vështirave për t’iu përgjigjur; përveçse është dhe më e diskutueshmja. Shkencëtarët diskutojnë çdo hap që ka çuar tek organizmat e parë të gjallë dhe dhe ai prej tyre që do të zbulojë molekulat dhe mekanizmat që bëjnë të funksionojë jetën do të ketë pothuajse të garantuar Çmimin Nobel.

Problemi në studimin e origjinës së jetës është i ndërlikuar prej një tjetër pyetjeje të vështirë: çfarë është jeta? Definicionet janë më shumë se dhjetëra. Programi i ezobiologjisë i NASA ka përshtatur, për shembull, definicionin e jetës si “sistem kimik që vetëushqehet dhe i nënshtrohet evolucionit darvinian”. Pra, një mënyrë për të identifikuar karakteristikat e përbashkëta të jetës dhe për të kujtuar që gjallesat nuk janë aspak “gjëra”, por një proces i udhëhequr prej reaksioneve kimikë: metabolizmi.

E megjithatë, edhe pse nuk kemi të gjithë përgjigjet për origjinën e jetës, studimet e kohëve të fundit ofrojnë tregues të rinj entuziasmues. Vitin e kaluar shkencëtarët kanë zbuluar fosilet absolutisht më antikë në një shkëmb sedimentar 3.4 miliardë vite të lashtë, në Streley Pool në bregun perëndimor të Australisë. Shkëmbi përmban struktura mikroskopike të ngjashme me qelizat, të rrethuara nga “gjurmë dixhitale” kimike, tregues ky i një aktiviteti biologjik. Bëhet fjalë për izotope të karbonit të pranishëm në përmasa që tregojnë konvertimin nga CO2 – anhidriti karbonik – inorganik, në molekulat organike që prodhohen prej qelizave të gjalla.

“Kemi zbuluar njësi të konservuara në mënyrë fantastike dhe të përfshira në dritare të vogla mes kokërzave të rërës, që duket se e kanë shmangur shtypjen. Janë struktura të ngjashme me qelizat, morfologjia e tyre është e llojit biologjik dhe kimia e tyre e pajtueshme me rrugët metabolike biologjike”, shpjegon Martin Brasier, paleobiolog në Universitetin e Oksfordit.

Kimia e shkëmbit tregon që, veç të tjerash, këta mikrobe primitivë gjeneronin energji përmes reaksioneve kimikë që përdornin squfurin, të ngjashëm në këtë me sulfobakteret aktualë. E qartë që këta mikrobe të lashtë ishin një formë boll e sofistikuar e jetës dhe vështirë se përfaqësojnë organizmat e parë të gjallë.

Atëherë, kur e ka patur fillimin jeta? Vështirë që organizmat e parë të jenë shfaqur më herët se 4 miliardë vite më parë, pra 500 milionë vite pas formimit të Tokës. Në atë kohë, planeti ynë ishte një botë uji dhe toka e thatë kishte marrë formën e harqeve të izoluar, më shumë se sa të kontinenteve të vërtetë. Shkëlqimi i Diellit ishte vetëm 70 për qind i atij aktual dhe veprimtaria vullkanike rriste temperaturat deri në kushte të buta, mes 25 dhe 60 gradë Celcius.

Toka primitive

Në krahasim me sot, Hëna ishte më afër, shkaktonte batica më të forta dhe Toka rrotullohej më shpejt rreth vetes. Ditët ishin më të shkurtëra dhe kohëzgjatja e tyre ishte mes tetë dhe dhjetë orëve. Sipërfaqja goditej vazhdimisht nga mbetje shkëmbore të Sistemit Diellor primitiv gjatë Bombardimit të Madh të Vonë kur nuk ishin të pazakontë meteorë dhjetë herë më të mëdhenj se sa ata që shkaktuan shfarosjen e dinosaurëve.

Pasi përfundoi 3.8 miliardë vite më parë, ky eon Adean (eoni është kategoria e shkallës më të lartë mes nëndarjeve të shkallës së kohëve gjeologjike) – emri i të cilit frymëzohet nga bota e grekëve të lashtë – nga ideja e një ferri mbi Tokë. E megjithatë, për mikrobet ishte një lloj parajse.

Në fakt, meteorët do të ishin vektorët e rëndësishëm metalikë me jetë në sipërfaqen e tyre; nga ana e tyre, energjia vullkanike dhe drita diellore ofronin energjnë e nevojshme. Toka primitive, edhe pse në pamje të parë duket se ka qenë armiqësore ndaj qenieve si ne, ishte në fakt një vend shumë i gjallërishëm ku mund të zhvillohej jeta.

Mbështjellë nga gazrat, atmosfera ishte pa oksigjen, një produkt i rrallë që prodhohet nga bimët dhe algat, që atëherë nuk ekzistonin. Atmosfera primitive përmbante në fakt metan, anhidrit karboni, anhidrid sulfuri, acid sulfhidrik dhe avuj uji në sasi. “Këto substanca na duken toksike, e megjithatë janë në pjesën më të madhe lëndë të para ideale për jetën e mikrobeve. Për to, ajo botë ishte një parajsë”, thotë Braiser.

Ndoshta nuk do të zbulojmë asnjëherë gjurmët e jetës primitive të konservuar në dokumentimin fosil dhe që ngjitet në kohë përtej mikrofosileve australianë. Siç shpjegon Braiser, “përpara 3 miliardë e gjysmë viteve provat janë ekskluzivisht minerale apo kimike, ndoshta sepse këta shkëmbinj të vjetër janë shumë të përkeqësuar për të konservuar mbetjet e qelizave. Çdo formë jete është qelizore. Për këtë arsye qelizat fosile janë një bankë prove thelbësore për fillimet e jetës”.

Për të rindërtuar ngjarjet e ndodhura përpara daljes së qelizave të para, disa shkencëtarë ndjekin madje një rrugë të ndryshme: simulojnë evolucionin e mundshëm të jetës duke krijuar përbërësit e saj në laborator. Është strategji e frymëzuar nga një ide e viteve njëzetë, sipas të cilës organizmat e parë u shfaqën nga një “përzierje fillestare” molekulash organike.

Një test i rëndësishëm për teorinë e përzierjes fillestare u zhvillua në 1952 nga kimistët Stanley Miller dhe Harold Urey. Ata kaluan nëpër një shkarkesë elektrike (rrufe e simuluar) një pajisje prej qelqi që përmbante një përzierje gazesh që mendohej të kenë qenë të pranishëm në atmosferën primitive të Tokës, pra metan, amoniak, hidrogjen dhe avuj uji. Uji që u kondensua në këtë “oqean” artificial përmbante aminoacide, tullat e proteinave, molekula të domosdoshme për jetën.

Shkencëtarët që studiojnë substancat kimike që u paraprinë qelizave të para këmbëngulin se jeta nuk u shfaq në një ngjarje të vetme. “Origjina e jetës nuk është një Big Bang”, konfirmon Philipp Holliger i laboratorit të biologjisë molekulare në MRC (Medical Research Council) në Cambridge. “Nuk është një shkëndijë hyjnore që i bën gjërat të gjalla, se sa një tranzicion. Ndoshta ishte një zonë ngjyrë gri ku materia merr në mënyrë progresive formën e jetës”, shton ai.

Atëherë, nëse për të gatuar pararendësit e jetës në një përzierje fillestare kërkon një zjarr të ngadaltë, cilët ishin përbërësit? Të gjithë qeniet e gjalla përbëhen nga ADN, ARN, proteina dhe lipide: katër molekula shumë të rëndësishme për qelizat. Lipidet, për shembull, përbëjnë membranën, pengesën që ndan një qelizë nga ambienti i jashtëm dhe i lejon të rregullojë reaksionet e brendshëm metabolikë. Por nëse sot receta e jetës kërkon pashmangshmërisht këta katër ingredientë, ndoshta gjërat nuk kanë shkuar gjithmonë kështu.

Bota në ARN

Ja paradoksi: në qelizat aktuale proteinat janë mbështetja strukturore dhe kryejnë funksionin e enzimave (katalizatorët që mundësojnë reaksionet kimikë), ndërkohë që gjenet e ADN kodifikojnë informacionin për të prodhuar proteina. Është dilema klasike e vezës dhe pulës: kush ka lindur më parë, ADN apo proteinat?

Asnjë nga të dyja, duket se është përgjigja. U ka paraprirë vëllai i madh i ADN, që është ARN. Ndonëse të dyja janë të formuara nga nukleotide (katër “gërmat: që formojnë sekuencat e ADN dhe ARN), dy molekulat kanë personalitete të ndryshëm. Ndërkohë që ARN është një molekulë reaktive e përbërë nga një zinxhir i vetëm nukleotidesh, struktura karakteristike me helikë të dyfishtë e ADN e bën të qëndrueshme nga pikëpamja kimike dhe si rrjedhim një molekulë më të besueshme për të arkivuar informacionin gjenetik. Ashtu si proteinat, zinxhiri i ARN mund të rivishet më tej në struktura tridimensionale që vënë në kontakt molekulat, duke favorizuar katalizën e reaksioneve.

Prandaj ARN mund të kryejë teorikisht funksionet e ADN dhe proteinave: duke u sjellë si një vektor informacioni, por edhe si katalizator. Nëse reaksionet do të përfshinin aftësinë për të bashkuar në zinxhir nukleotidet për të krijuar një kopje të zinxhirit, molekula do të zotëronte edhe cilësitë që përcaktojnë jetën, domethënë aftësinë për t’u rikrijuar dhe të trashëguar informacionin. Me fjalë të tjera, riprodhimin.

Shumë biologë besojnë se ARN ka qenë “replikuesi i parë” dhe që Toka në fillimet e saj ka qenë një “botë në ARN”, dominuar nga këta pararendës të jetës. Prova më e mirë që mbështet këtë hipotezë buron nga ribozomet, fabrikat e proteinave të qelizës. Pothuajse të gjithë reaksionet qelizorë janë të katalizuar nga proteinat, në veshjen e tyre si enzima. Megjithatë, enzima më e rëndësishme e robozomit është një “ribozim”, domethënë një enzimë e ndërtuar nga ARN. Dhe duke qenë se përdoret nga të gjithë format e jetës, ribozomi është ndoshta një trashëgimi e botës së ARN.

Megjithatë, molekula vetëprodhuese e botës në ARN ka humbur në natën e kohëve. “Më e mira që mund të bëjmë është që të ndërtojmë në laborator një molekulë sozi, për të studiuar cilësitë e saj dhe për të kuptuar çfarë ka ndodhur katër miliardë vite më parë”, konfirmon Holliger.

“Vetëriprodhimi, i përmbledhur tek aftësia trashëguese, do të përfaqësonte tranzicionin nga bota e kimisë, tek ajo e biologjisë”. Deri tani Holliger ka krijuar një enzimë të përbërë nga 200 gërma të ARN në gjendje të lexojnë dhe shkruajnë fragmente të shkurtëra të ARN, duke përfshirë edhe sekuencën e vet të nukleotideve. Objektivi është që të kopjohet në këtë enzimë në ARN të gjithë sekuencën e saj.

Gabimet në kopjim, të ashtuquajturit mutacione, mund të përmirësojnë ARN, pra mund ta bënin më të shpejtë dhe të saktë në riprodhim. Dhe me një burim të kufizuar burimesh mjedisore, në formën e “tullave” të nukleotideve, është e mundur të vërehet një evolucion për përzgjedhjen natyrore. Do të bëhej fjalë për një “përzgjedhje kimike” të udhëhequr nga mbijetesa e katalizatorëve më eficientë.

Qeliza e parë

Hapi tjetër në rindërtimin e jetës është krijimi i një qelize. Membranat qelizore janë të përbëra nga lipide, apo më saktë yndyrna: molekula me një kokë hidrofile (të afërta me ujin) dhe një bisht lipofil (afër me lipidet). Këto molekula formojnë një shtresë të dyfishtë lipidike, ku pjesët lipofile të molekulave vendosen përballë njëra-tjetrës dhe formojnë një mbushje vajore të një “sanduiçi” hidrofil.

Ashtu si ndodh me pikat e vajit në ujë, grupet kimikë pranë ujit bashkohen dhe vetëmblidhen në mënyrë spontane duke krijuar një “fshikëz”, një sferë të zhytur në ujë dhe që përmban ujë brenda vetvetes. Nëse më pas, në brendësi të fluskës lipidike ka ARN, atëherë kemi krijuar qelizën primitive, një “protocelulë”.

Studimi i sjelljes së ARN të futur në këto protocelula na ka mundësuar të kuptojmë disa gjëra shumë interesante mbi pararendësit e jetës. Duke bashkëpunuar me një pioner të protocelulave si Jack Szostak, biofizikania Irene Chen e Universitetit të Harvardit, ka zbuluar që protocelulat e ARN rifryhen kur ARN riprodhohet.

Membranat janë kështu të përshkueshme nga molekula shumë të vogla, si nukleotidet. Por pasi këto molekula hyjnë, ato renditen e vihen në rresht për të krijuar zinxhirë të gjatë ARN-je, shumë të mëdha për të dalë sërish. Dhe duke qenë se molekulat e ARN kanë një ngarkesë elektrike negative, tërheqja elektrostatike thith në qelizë ione të vegjël të ngarkuar pozitivisht. Në atë pikë, uji ndjek ionet për osmozën dhe qeliza rifryhet.

“Kemi zbuluar që ARN përkthente rritjen e vet drejtpërdrejtë në rritjen e të gjithë qelizës. Nuk është e nevojshme të shtohen enzima apo molekula të tjera në sistem: është pasojë e thjeshtë e cilësive fizike dhe kimike”, shpjegon Chen. Qelizat që shfrytëzojnë burimet për t’u rritur më shpejt do të dilnin më mirë se “simotrat” e tyre. Është një formë e parë e përzgjedhjes natyrore.

Megjithatë, disa shkencëtarë kanë dyshime se riprodhimi i jetës në laborator do të na tregojë historinë e plotë të origjinës së jetës. “Edhe nëse sot do të realizonim një eksperiment ku, duke nisur nga substancat kimike, do të kishim në sintezë një jetë të re, ky nuk është demonstrim që jeta ka lindur pikërisht kështu. Do të kishim më shumë një rrëfim që do e bënte më bindëse”, thotë Bill Martin, biolog evolucionist në Universitetin e Dyseldorfit në Gjermani.

Martin shton se teoria e jetës së ardhur nga një përzierje fillestare të mbushur me molekula organike e ka kaluar kohën e vet. “Përzierja organike është një teori që vërtitet prej 80 vitesh, që përpara se të krijohej ideja se si qelizat marrin energji”, saktëson ai.

Opinionet e studiuesve bien ndesh sa i përket ingredientëve të përzierjes. “Thuhet që çdo lloj substance do të ishte e mirë për të mbushur përzierjen. Mungojnë provat që një përzierje e tillë ka ekzistuar ndonjëherë”, pohon Nick Lane, biokimist në University College në Londër.

Shkëmbim energjie

Ndërkohë që shumë përkrahës të “botës në ARN” mendojnë që ARN-ja ka lindur e para dhe ka zhvilluar aftësinë për të konsumuar molekula organike që ishin tashmë të pranishme në përzierje, kolegë të tjerë besojnë në fakt që qelizave u është dashur fillimisht të mësojnë të prodhojnë molekula organike si dhe të gjenerojnë energji përmes metabolizmit. Për mbrojtësit e teorisë së origjinës së jetës “metabolike”, si Lane dhe Martin, organizmat mund të zhvilloheshin vetëm nëse mjedisi përmbante një sistem për të gjeneruar energjinë e domosdoshme për të drejtuar reaksionet kimikë të metabolizmit.

Në të gjithë qelizat aktuale që përmbajnë një bërthamë dhe përdorin oksigjenin, energjia prodhohet prej mitokondrive. Këto struktura – centrale të vërtetë energjetikë të qelizës – prodhojnë energji nëpërmjet lëvizjes së atomeve të ngarkuar elektrikisht (ioneve) përmes membranës, të cilët krijojnë një gradient elektrokimik mes pjesës së brendshme dhe të jashtme të membranës.

Imagjinoni një digë hidroelektrike: presioni i krijuar nga presioni i më shumë uji nga njëra anë krijon energji, duke qenë se uji rrjedh përmes një turbine. Dicka e ngjashme ndodh tek mitokondritet. Vetëm se këtu, në vend të ujit janë protonet (ionet e hidrogjenit), të cilët rrjedhin përgjatë një gradienti me përqëndrim në brendësi të një mitokondriti. Protonet përshkojnë një “turbinë” molekulare, ATP, dhe gjenerojnë kështu energji.

Ndërkohë ATP përdor energjinë e çliruar nga fluksi i protoneve për të prodhuar molekula të ATP, monedha e këmbimit të energjisë së qelizës, e shpenzuar në reaksionet kimikë të domosdoshëm për jetën. Një person i rritur prodhon çdo ditë ekuivalentin e peshës së tij në ATP, duke ricikluar çdo molekulë më shumë se një mijë herë.

Dhe sipas shkencëtarëve që mbështesin teorinë “metabolike”, janë gradientët e protoneve që kanë gjeneruar energjinë e nevojshme për të ushqyer format e para të jetës. Megjithatë, ngrihet pyetja se çfarë i ka prodhuar këta gradientë përpara oksigjenit, membranës dhe ATP. Për t’iu përgjigjur pyetjes se si ka nisur jeta duke nisur nga energjia, është e nevojshme edhe të dijmë se ku ekzistojnë tashmë gradientët.

Djepi i jetës

Jeta ka nisur në stere apo në oqeane? Në vitin 1871 Darvin uronte që ndoshta kish nisur në një “pellg të vogël të ngrohtë” dhe debati është ende i hapur. Në shkurtin që kaloi, fizikani Armen Mulkidjanian ka hedhur hipotezën që, në bazë të përbërjes ionike të qelizave aktuale, jeta do të evoluonte pranë pellgjeve gjeotermikë në Kamchatka (pranë Siberisë), pellgje të ngjashëm me atë të Parkut Kombëtar të Gurit të Verdhë në SHBA. Teza është shumë e diskutueshme.

Në fakt, kritikët nënvizojnë se në Tokën primitive stereja ishte ende e rrallë (duke reduktuar kështu hapësirën potenciale për formimin e jetës) dhe që shiu do të kishte shpëlarë apo përmbytur përmbajtjen e pellgjeve. Teori të tjera parashikojnë sasi të mëdha guri dhe shtufe dhe “vullkane balte” në thellësitë, që sot janë në qiell të hapur në Groenlandë.

Një tjetër mundësi është oqeani, duke qenë se thellësitë do të kishin mbrojtur jetën primitive nga efektet e dëmshëm të rrezeve ultraviollcë (UV). Deri pak kohë më parë, teoria rivale më e besueshme ishin burimet hidrotermikë të formuar në shtratin e oqeanëve, që nxirrnin ujë të nxehtë. Por këta burime kanë një jetë relativisht të shkurtër, janë shumë të nxehtë për jetën (400 gradë celcius) dhe shumë acidë.

Kandidati kryesor si djep i jetës janë burimet hidrotermikë alkalinë, si ata të Lost City, një rajon me kulla guri përgjatë një pjese vullkanike në oqeanin Atlantik. Mineralet e burimeve alkalinë sedimentohen duke krijuar depozita dhe mund të rriten dhe të formojnë struktura të mëdha të bardha të ngjashme me oxhaqet. Këta burime hidrotermikë i bën të veçantë uji i nxehtë që del në temperatura më të ulëta se 100 gradë celcius – i ftohtë sa duhet për jetën – dhe fakti që durojnë 100 mijë vite, një kohë e mjaftueshme për t’i lejuar jetës të nisë. Por aspekti më i rëndësishëm është që brendia alkaline e depozitave hidrotermike konservon një gradient protonik natyror që jeta primitive do t’a shfrytëzonte për të gjeneruar energji. “Një depozitë hidrotermale mund të konsiderohet një mjet për të kapur energji dhe materiale, si një fabrikë që monton pjesët në vend, në vend që të zhyten në një përzierje shumë të holluar”, shpjegon Michael Russell, një prej mbështetësve të teorisë së origjinës së jetës në burimet alkaline dhe gjeokimike e që punon në Jet Propulsion Lab në NASA.

Gradienti i protoneve udhëhiqet nga ndryshimi i aciditetit mes ujit të detit dhe brendësisë së burimeve. Brendia e tyre është alkaline, ndryshe nga uji i kripur i oqeaneve primitivë që ndoshta ishte pak acid. Një proces gjeologjik në koren e Tokës transferon një fluks konstant hidrogjeni, nën formën e ioneve protonikë, drejt burimit. Kështu ruhet gradienti dhe protonet rrjedhin drejt rajonit me përqëndrim më të ulët, uji i detit acid.

Hidrogjeni dhe mineralet shtyhen përmes një rrjeti poresh në depozitën hidrotermike nga rryma, një fenomen që përqëndron molekulat në një vend të njëjtë. Në këto mikrodhomëza jeta mund të ketë lindur.

Fillohet duke krijuar ngjarje të caktuara kimike. Është fakt që në fillim duhen dhomëza që përmbajnë frutin e punës kimike”, shpjegon Russell.

Burim energjie

Muret e depozitës nuk kanë ATP, që kap energjinë e cliruar nga fluksi i protoneve. Ndërsa në oqeanet primitivë, muret duhet të kenë qenë formuar nga sulfur hekuri, duke krijuar një sipërfaqe katalitike për shkëmbimin e elektroneve mes molekulave. Kjo ka lejuar hidrogjenin e burimeve termikë që të reagojnë me CO2, të tretur në ujë, duke prodhuar molekula organike: me fjalë të tjera, fillimet e metabolizmit. “Jam dakord me botën në ARN, por është diçka që vjen më vonë”, saktëson Russell.

Sipas skenarit “metabolik”, fluska lipidesh do të formoheshin më pas brenda poreve të një depozite hidrotermike duke mbyllur molekula ARN-je. Poret janë pothuajse dhjetë herë më të mëdha se sa një mikrob tipik, një hapësirë e mjaftueshme për të formuar qelizat e para. Edhe më vonë, ADN do të zhvillohej nga ARN dhe proteinat e demonstruara enzima më të mira se sa ARN. Proteinat do të zhvilloheshin më vonë për të pompuar në mënyrë aktive ionet përmes membranës duke lejuar qelizat që të konservonin gradientin e tyre për të gjeneruar energji dhe braktisur kufijtë e poreve.

“Në këndvështrimin tim qeliza e gjallë është autonome dhe një entitet që riprodhohet dhe merr energji nga mjedisi duke përdorur reaksione kimikë të specifikuar nga gjenet e vet”, thotë Bill Martin. Po çfarë pamje kishin qelizat e para? Nuk kemi provat nga “bota në ARN”, sepse jeta primitive bazuar në ARN do të ishte eleminuar nga historia.

Por nëse ka ndodhur më parë metabolizmi, atëherë shkencëtarët mund të nxjerrin ide nga çdo lloj procesi antik metabolik që përdoret ende për sintetizimin e molekulave organike. Martin këmbëngul që, nëse proceset kimikë themelorë ishin në veprim 4 miliardë vite më parë, nuk ka arsye përse mund të kenë ndryshuar. “Jeta primitive ishte shumë e ngjashme me mikrobet që mund të vërejmë edhe sot”.

Tipi më primitiv i metabolizmit, shpjegon Martin, është ai i përdorur nga mikrobet e thjeshtë: metanogjenët, që prodhojnë metan; dhe acetogjenët, që prodhojnë acid acetik. Kështu, organizmat më të lashtë mund t’u kenë ngjarë këtyre të fundit.

Shkencëtarët bien dakord se jeta ka një origjinë të vetme sepse kodi gjenetik është i përbashkët për të gjithë organizmat. Por sekuenca e hapave evolues drejt qelizës së parë do të mbetet gjithmonë e diskutueshme. Siç shpejgon Martin, “në biologjinë evolucioniste është gjithmonë një problem i ngritjes së urave për të bashkuar hendeqet. Hendeku mes nesh dhe shimpanzesë është minimal.

Dhe mund të gjejmë edhe ecjen së prapthi: tek peshqit, tek sfungjerët, tek kafshët më të thjeshta. Por tranzicioni që të çon nga anhidriti karbonik, uji dhe shkëmbinjtë në Tokën primitive drejt qenieve të gjalla është shumë i ndërlikuar. Dimë që ndodh. Por pyetja nuk është “nëse”. Pyetja është “si”.