Ha az élet keletkezéséről van szó, a legkreatívabb fantázia sem tud versenyre kelni több százmillió év kémiai kísérleteivel

Nincsen túlélhető és fenntartható jövőnk tudomány nélkül, ahogy nekünk sincsen nélkületek. Támogasd a Qubit munkáját!

Az élet eredetének magyar kutatói nemrégiben vaskos tanulmányt közöltek a Nature Reviews Chemistry folyóiratban. A brit John Maynard Smith és Szathmáry Eörs evolúcióbiológusok által 1995-ben kidolgozott, Nagy evolúciós átmenetek néven ismertté vált elméletet továbbfejlesztő iskola tagjai az elmúlt három évtized hazai eredményeit foglalták össze cikkükben. 

A tanulmány társszerzőjét, Szilágyi András fizikus-biofizikust, az Ökológiai Kutatóközpont Evolúciótudományi Intézetének tudományos főmunkatársát kérdeztük arról, hogy eredményeik szerint miként jöhetett létre az anyag élő állapota.

„Azt tudjuk, hogy úgy 4 milliárd évvel ezelőtt már stabil vízburok borította a Földet. Az akkori hőmérsékleti viszonyok és a környezet kémhatása is hasonlítottak a maiakra. A legmeglepőbb az, hogy az ezután következő 200-250 millió évben, geológiai léptékben pillanatok alatt, az élet is megjelent. Ahhoz persze, hogy pontosabban tudjuk, hogyan is történt meg az élettelen élővé válása, jó volna látni egy másik, a miénkhez hasonlító sikeres kísérletet, mert akkor el tudnánk dönteni, hogy a szerencse vagy a kémiai szükségszerűség vezetett idáig” – mondja Szilágyi. 

Szilágyi AndrásFotó: Vörös Szabolcs/ Válasz Online

A biofizikus szerint az évszázmilliók alatt másodpercenként számtalan különféle fizikai folyamat és kémiai reakció zajlott le a híg őslevesben. „Kísérletek milliárdszor milliárdszor milliárdjai mentek végbe. A nagy idő és a borzasztóan magas ismétlésszám okán a kis valószínűségi események is szükségszerűen bekövetkezhettek” – mondja a kutató. 

Mi él és mi nem?

Az élet meghatározására különféle definíciók léteznek ugyan, de minden iskola három fő kritériumot határoz meg:

  • a rendszer kompakt egységként elhatárolt a környezetétől,
  • anyagot és energiát vesz fel a környezetéből, ezzel eltávolodva környezetének termodinamikai egyensúlyától,
  • saját magához nagyon hasonlót, de nem azonosat tud létrehozni.

A kutató szerint az időszakos, rövid idejű elhatárolódáshoz nincs szükség olyan bonyolult biokémiai bestiáriumra, mint amilyenek a mostani növényi vagy állati sejthártyákat és -falakat hozzák létre; elég, ha egy-egy, a felületi feszültség által egyben tartott vízcsepp létrejön, benne többféle molekulával és szerves bázissal. 

„Sokszor ér minket a vád, hogy az evolúció kalapácsával a kezünkben mindent a természetes kiválasztódás szögének látunk. De ha egy rendszerben működik az öröklődés mechanizmusa, generálódnak változatok és ezeken hat valami fajta szelekció, akkor az a rendszer képes az evolúcióra. Márpedig a komplexebb kémiai rendszerek között vannak ilyenek” – állítja Szilágyi.

Rekonstrukció

Az eredetkutatás egyik útja Szilágyi szerint az, amikor a kutatók a biokémia távcsövén keresztül próbálják rekonstruálni a hogyant és a mikéntet. „A minden mai élőlény biokémiájában közös kulcsmolekulák között valószínűleg sok az ősi szereplő. Ilyen molekula a ribonukleinsav, vagyis az RNS, amelyik az élet eredetét leíró modelljeink főszereplője” – mondja a kutató. 

Az adenin, citozin, guanin és uracil szerves bázisokat tartalmazó polimer óriásmulekulákról köztudott, hogy kulcsfontosságúak a fehérjék keletkezésekor. Az RNS kevésbé ismert alaptulajdonsága ugyanakkor, hogy képes a kémiai reakciók felgyorsítására, vagyis katalizátorként is működik – mutat rá Szilágyi.

3 dimenziós RNS-modellForrás: Wikipédia

„Ilyen esetben nevezzük az RNS-t ribozimnek, mert a ribonukleinsav enzimként is funkcionál. Egyetlen molekula kétféle szerepben: képes önmagát másolni, így információt tárol, miközben képes reakciókat katalizálni. A törzsfejlődés során e két funkció különvált, az információtároló funkciót átvette a DNS, a katalizátor szerepét pedig a fehérjék töltik be” – folytatja a kutató. 

A sokáig csak elméleti formában létező állítást mostanra irányított szelekciós kísérletekkel is bizonyították. Laborkörülmények között sikerült létrehozni olyan RNS-eket, amelyek képesek bizonyos kémiai reakciók katalizálásra. Szilágyi szerint kiderült, hogy az RNS ugyan nem túl hatékony enzim, de nagyon sokféle feladatot el tud látni. 

„Olyan, mint a svájci bicska, hogy se fűrésznek, se csavarhúzónak nem túl jó, viszont ha nincs más, akkor sok mindent meg lehet vele valahogy oldani. Kísérletileg ma már bizonyított, hogy az RNS-ek komoly katalitikus repertoárral is rendelkeznek az örökítésben betöltött szerepükön túl. Ebből következtethetünk arra, hogy ők lehettek a főszereplők a színpadon, amikor az élet létrejött a Földön”. 

Ezen az immár nem csupán elméleti felvetésen alapul az RNS-világ teóriája. „Persze a késhegyre menő viták során rendre felvetődik, hogy miként jött létre és mi tartotta fenn ezt a kémiai komplexitást, és hogy elég stabil volt-e egy ilyen rendszer, de jelenleg ez az egyik legelfogadottabb forgatókönyv az élet kialakulására” – mondja Szilágyi.

Az ősóceán és az őslégkör fizikai-kémiai körülményei ugyanis lehetőséget adtak egyre összetettebb molekulák spontán kialakulására, így létrejöhettek olyan komplexitású molekulák, amelyek RNS-bázisokként lánccá szerveződhettek.

Fantáziarajz a 4 milliárd évvel ezelőtti FöldrőlFotó: Wikipédia

Modellek

„Amikor számítógépes módszerekkel modellezünk, akkor nem törődünk azzal, hogy milyen elsődleges vagy másodlagos kémiai kötések vannak egy molekulában, mert nincs akkora számítási kapacitás jelenleg a világon, amely a komplex rendszerekben fellépő kölcsönhatásokat ilyen pontossággal figyelembe tudná venni. Amikor szimulálunk, akkor replikációkra alkalmas entitásokat tekintjük a legkisebb egységnek, figyelembe véve azok fontosabb kémiai jellemzőit. Voltaképpen populációs vizsgálatokat végzünk, azt nézve, milyen a folyamatok dinamikája, és nem mellesleg miként marad fenn, illetve tud növekedni a komplexitás és a molekuláris diverzitás”  – vázolja az élet keletkezését firtató elméleti kutatásokat Szilágyi. 

Már a legkezdetlegesebb, élőnek tekinthető kémiai rendszerhez szükséges komplexitás fenntartása, azaz különböző kémiai funkcióval bíró RNS-ek „együttélése” szükségszerűen problémákat szül. Magyar kutatók e probléma vizsgálata során mutattak rá arra, hogy az ilyen rendszerekben a versengés mellett megfigyelhető egyfajta kooperáció is. 

„Képzeljük el, hogy egy kezdetleges kémiai apparátust együtt tartó, a környezettől való átmeneti elhatárolást biztosító cseppben van néhány különféle funkciójú RNS, amelyik mindegyike képes valamiféle kémiát működtetni. Az egyik RNS viszont valamivel rövidebb a többinél, így gyorsabban másolódik, ezért elvileg előbb-utóbb kiszorítaná a riválisokat, lecsökkenne a komplexitás, és a kezdődő »élet« már meg is szűnne létezni. A különböző funkciójú RNS-ek versenye – amely verseny az evolúció fő hajtóereje – úgy tűnik, megakadályozza a komplexitás és diverzitás növekedését, gátként jelentkezik az élet előtt. E régóta vajúdó problémára próbálunk választ adni. Feltételezésünk szerint az átmeneti elhatárolást adó cseppek külső fizikai hatások miatti véletlen felbomlása, egyesülése, a kémiai tartalom időnkénti véletlen újraosztása meggátolja ezt. A véletlen újraosztások során ugyanis a lassabban szaporodónak is megvan az esélye, hogy versenyben maradjon, ne szorítsák ki a szaporább társaik”. 

A kutató szerint az újraosztással azonban nem tűnik el az evolúcióhoz nélkülözhetetlen verseny, csupán a rivalizálás helyeződik át az egyes molekulák szintjéről a molekulaközösségek szintjére. Innentől az igazi verseny magasabb szinten folytatódik: a cseppecskék rendszerei már versengenek egymással, és megjelenik a csoportszelekció mechanizmusa, amely a komplexitás növekedésének záloga. Vagyis az evolúció komplexitásnövelő hatása érvényesül már kémiai szinten is. 

„Francia kollégáink pár éve a gyakorlatban is igazolták, hogy a véletlenszerű újraosztással nem vész ki az információ a rendszerekből. Laboratóriumban, RNS-molekulák és azok másolódása során keletkező természetes mutánsainak kis cseppekben való együttélését vizsgálták, mikrofluidikai technológiával. A kísérletek bebizonyították, hogy a folyamatos újraosztások eredményeképpen a gyorsabban másolódó, de kémiai funkcióval nem bíró mutánsok nem tudják kiszorítani a lassabban másolódó, »jó« RNS molekulákat, tehát a rendszerben az információ tartósan fenn tud maradni, és a magasabb szerveződési szintre kerülő verseny nem gördít akadályt a komplexitás növekedése elé” – mondja Szilágyi.  

Az elméleti és a kísérleti munka szintéziséből született eredményt publikáló cikk 2016-ban jelent meg a Science-ben. Az alábbi videóban a cseppecskékkel folyó kísérletek egyik fázisa látható:

Szilágyi szerint most jutott el az evolúciókutatás oda, hogy a készségszinten művelhető RNS-manipuláció, a mikrofluidika és a gyors RNS-aktivitást meghatározó módszerek révén vizsgálhatóvá váltak olyan molekulaközösségek, cseppméretű rendszerek, amelyekből milliószámra állíthatók elő a különféle változatok. „Eddig a teória hajtotta a praxist, de ma már megfordulni látszik a helyzet, és  a praxis hajtja a teóriát, tehát nagyon sok olyan kísérletes eredményre számítok, amelyek az elméletek továbbgondolását is kikényszerítik. A kéz a kézben járó elmélet és kísérlet az optimális állapot a tudomány számára” – mondja a kutató.

Teremtő ember?

Szilágyi szerint bármennyire is fejlődik a technológia, a mesterséges élet létrehozásától még valószínűleg igen távol vagyunk. Még akkor is, ha jelenleg a legegyszerűbb élőlénynek mondott baktériumoknál az első életformák még egyszerűbbek lehettek. Az evolúciókutatók minimális sejtnek nevezik azt a kezdeti formát, amely csak azt a legszükségesebb kémiai apparátust tartalmazza, amellyel már megfelel az élet definíciójának. A földi élet egy ilyen minimális sejttel rugaszkodhatott el az élettelentől.

„Senki sem hozott még létre életet, még a szovjet Olga Lepesinszkaja sem, aki azzal próbált megfelelni az élet létrehozását szorgalmazó politikai akaratnak, hogy bizonyítékként fordítva játszotta le egy sejt filmre vett halálát. Mi sem életet akarunk létrehozni, hanem bizonyos kulcsmomentumait megragadni az élő rendszereknek és a már rendelkezésünkre álló technológiákkal megvizsgálni a lehetséges kémiai mechanizmusokat és a komplexitás növekedését eredményező mechanizmusokat”. 

Szilágyi szerint a „de novo élet” névvel megragadható kutatási irány lényege egy olyan kémiai rendszer megalkotása, amely teljesíti az élet fent felsorolt kritériumait, de nem azokat a vegyületeket használja, amelyek a feltételezések szerint létrehozták a földi életet. „Olyan molekulákról van szó, amelyek képesek önmaguk lemásolására, de nem DNS-ek vagy RNS-ek. Mára sikerült ilyeneket létrehozni, ám ezekkel van egy kis gond. Mindig ugyanaz és ugyanaz a másolódás eredménye, vagyis a replikáció során nincs semmiféle változás, ilyen rendszerben pedig az evolúció működésképtelen” – így Szilágyi.

A biofizikus szerint ha az emberiség laboratóriumban valaha is képes lesz kémiai ágensekből létrehozni egy működő sejtet, azzal sem azt sikerül majd igazolni, hogy így jött létre az élet, hanem azt, hogy akár így is létre jöhetett. Úgy véli, hogy a legkreatívabb fantázia sem tud versenyre kelni több százmillió év kémiai kísérleteivel. Mint mondja, „a nagy kérdés az, hogy mennyire tudunk plauzibilis forgatókönyveket írni az élet kezdetéről”. 

Alkalmazhatóság

Az élet eredetének kutatása Szilágyi szerint azért is unikum, mert látszólag nincs benne pénz, hiszen az eredmények nem kecsegtetnek közvetlen hasznosíthatósággal – egy évezredes, minden kultúrában felvetődő alapvető kérdés megválaszolása pedig „piacképtelen”. Az eredmények alapján nem lehet önvezető autót vagy kuplungtárcsát gyártani. 

Persze nem ezért vannak a magyar kutatók az élet eredetét vizsgáló részdiszciplína nemzetközi élvonalában: a Szathmáry Eörs nevével fémjelezett budapesti evolúciós iskola nagyon sokat tett hozzá az élet keletkezése és a nagy evolúciós átmenetek elméleti megértéséhez, olyan predikciókkal állt elő az elmúlt harminc évben, amelyeket a rohamléptekkel fejlődő biokémia mostanra részben-egészben igazolt. Fontos megjegyezni, hogy több mikrofluidikai fejlesztés a francia laborban azért történt, hogy az elméletet teszteljék, később pedig ebből proof of concept típusú európai projekt született, amelynek többek között ráksejtek diagnosztikájában lehet hasznát venni. 

A biokémia területén zajló változások egyébként átformálhatják az élet keletkezése kutatásának státuszát is. 

„A jelenleg még szinte kizárólagosan fehérje-célpontokra ható gyógyszerfejlesztés mellett egyre nagyobb teret kaphat az RNS-gyógyászat. Ez pedig a mi munkánkra is visszahathat, mert tudjuk, hogy miféle felfutást hoz az, amikor a gyógyszeripar érdeklődni kezd valamilyen biokémiai terület iránt”.

Korábbi kapcsolódó cikkeink: