Πολύ πριν διαιρεθεί το πρώτο κύτταρο, πριν το DNA μεταφέρει γενετικές οδηγίες και πριν οι μεμβράνες εγκλωβίσουν τη χημεία της ζωής, η Γη ίσως ήταν καλυμμένη από κάτι πολύ πιο ταπεινό: γλίτσα (slime).
Όχι όπως το πολύχρωμο slime των παιδικών παιχνιδιών ή γλίτσα που ξεχειλίζει από έναν δοκιμαστικό σωλήνα σε σκηνή κινουμένων σχεδίων, αλλά λεπτά, κολλώδη στρώματα που έμοιαζαν με γέλη (gel) και προσκολλούνταν σε βράχους, ορυκτές επιφάνειες και παλιρροϊκές εκτάσεις — μαλακές, ενυδατωμένες «μήτρες» ικανές να παγιδεύουν μόρια και να τα ωθούν σε ολοένα και πιο περίπλοκες αλληλεπιδράσεις.
Σύμφωνα με ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που προτάθηκε από μια διεθνή ομάδα ερευνητών, η ζωή μπορεί να μην ξεκίνησε μέσα σε μεμονωμένα σταγονίδια μιας «αρχέγονης σούπας», αλλά στο εσωτερικό προσκολλημένων gel σε επιφάνειες, τα οποία λειτουργούσαν περισσότερο ως σύγχρονα μικροβιακά βιοφίλμ (biofilms) παρά ως ελεύθερη, διαλυμένη χημεία.
Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό ChemSystemsChem, οι επιστήμονες περιγράφουν αυτό που αποκαλούν ένα «προβιοτικό μοντέλο προτεραιότητας των γελών» (prebiotic gel-first model) για την προέλευση της ζωής.
Αντλώντας στοιχεία από τη χημεία της μαλακής ύλης (soft-matter chemistry) και τα σύγχρονα μικροβιακά συστήματα, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι οι μήτρες που μοιάζουν με gel θα μπορούσαν να έχουν παράσχει το απαραίτητο περιβαλλοντικό «υπόβαθρο» (scaffolding) που χρειαζόταν τα πρώιμα χημικά συστήματα για να μεταβούν από τις χαοτικές αντιδράσεις σε οργανωμένα, εξελισσόμενα δίκτυα.
Εάν αυτή η θεωρία είναι σωστή, το πλαίσιο αυτό δεν αναδιαμορφώνει απλώς τον τρόπο με τον οποίο φανταζόμαστε την έναρξη της ζωής στη Γη – θα μπορούσε επίσης να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αναζητούμε ζωή αλλού στο Σύμπαν.
«Περιγράφουμε το πλαίσιο της “προβιοτικής προτεραιότητας των gel”, το οποίο εξετάζει πώς η προέλευση της ζωής (OoL) θα μπορούσε ενδεχομένως να έχει αναδυθεί μέσα σε μήτρες πηκτωμάτων (gel) προσκολλημένων σε επιφάνειες», γράφουν οι ερευνητές.
Για δεκαετίες, η έρευνα για την προέλευση της ζωής επικεντρωνόταν συχνά στην ιδέα μιας «αρχέγονης σούπας»: ένα υδάτινο μείγμα οργανικών μορίων που τροφοδοτούνταν με ενέργεια από κεραυνούς, υπεριώδη ακτινοβολία ή υδροθερμική δραστηριότητα.
Ενώ τα εργαστηριακά πειράματα έχουν δείξει ότι τα αμινοξέα και άλλα δομικά στοιχεία μπορούν να σχηματιστούν υπό εύλογες συνθήκες της πρώιμης Γης, μια βασική πρόκληση παραμένει: η αραίωση.
Σε μη περιορισμένες μάζες νερού, τα δυνητικά χρήσιμα μόρια διασκορπίζονται, οι αντιδράσεις ανταγωνίζονται τη διάχυση και οι ενεργειακές διαβαθμίσεις εξασθενούν γρήγορα.
Πολλοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι για να ξεπεράσει η χημεία το κατώφλι προς τη βιολογία, απαιτείται πιθανώς κάποια μορφή χωρικής οργάνωσης – μηχανισμοί που θα συγκεντρώνουν τα μόρια, θα τα συγκρατούν αρκετά ώστε να αντιδράσουν και θα λειτουργούν ως ρυθμιστές (buffer) απέναντι στις περιβαλλοντικές διακυμάνσεις.
Το νέο πλαίσιο προτείνει ότι οι προβιοτικές γέλες (gels) θα μπορούσαν να έχουν εκπληρώσει αυτόν τον ρόλο.
Αντί να φαντάζονται τους προδρόμους της ζωής να επιπλέουν ελεύθεροι, οι ερευνητές στρέφουν την προσοχή τους στα προσκολλημένα σε επιφάνειες gels — ενυδατωμένες μήτρες, πλούσιες σε πολυμερή, που μοιάζουν με το εξωκυτταρικό υλικό που παράγουν τα σύγχρονα μικρόβια στα βιοφίλμ.
Αυτές οι δομές δεν είναι ούτε στερεές ούτε υγρές, αλλά κάτι ενδιάμεσο: μαλακή ύλη που μπορεί να συγκρατεί το νερό, ενώ ταυτόχρονα παγιδεύει και οργανώνει τα μόρια μέσα σε ένα ημι-σταθερό δίκτυο.
«Αντλώντας στοιχεία από έννοιες της χημείας της μαλακής ύλης και χρησιμοποιώντας τα σύγχρονα μικροβιακά βιοφίλμ ως πλαίσιο αναφοράς», εξηγούν οι ερευνητές.
Ο φυσικός θάλαμος αντιδράσεων της Φύσης
Ένα από τα σημαντικότερα εμπόδια στην προβιοτική χημεία είναι η επίτευξη επαρκώς υψηλών συγκεντρώσεων. Πολλές αντιδράσεις που είναι απαραίτητες για τη ζωή -όπως ο πολυμερισμός ή η αυτοκατάλυση- γίνονται αναποτελεσματικές σε αραιά περιβάλλοντα.
Το μοντέλο της «προτεραιότητας του gel» υποδηλώνει ότι οι κολλώδεις μήτρες που είναι προσκολλημένες σε ορυκτές επιφάνειες θα μπορούσαν να έχουν λειτουργήσει ως φυσικοί συμπυκνωτές.
«Τα προβιοτικά πηκτώματα θα μπορούσαν να έχουν προσφέρει τα μέσα για τοπικά περιβάλλοντα που ευνοούν τη χημική πολυπλοκοποίηση και το εξελικτικό δυναμικό, πολύ πριν από τον σχηματισμό κυττάρων», γράφουν οι ερευνητές.
Η «χημική πολυπλοκοποίηση» αποτυπώνει την ουσία του προβλήματος. Η ζωή δεν ορίζεται απλώς από μόρια, αλλά από δίκτυα αλληλεπιδρώντων αντιδράσεων που αυτοσυντηρούνται και αναπαράγονται.
Για να φτάσουμε εκεί, η χημεία πρέπει να αποκτήσει στρώματα, να γίνει αυτοενισχυόμενη και ικανή για μεταβολές.
Σύμφωνα με το πλαίσιο αυτό, οι μήτρες gel ενδέχεται να επέτρεψαν στα συστήματα να ξεπεράσουν «βασικά εμπόδια στην προβιοτική χημεία, καθιστώντας εφικτή τη μοριακή συγκέντρωση, την επιλεκτική συγκράτηση, την αποδοτικότητα των αντιδράσεων και τη ρύθμιση των περιβαλλοντικών μεταβολών (buffering)» .
Σε πρακτικούς όρους, αυτό σημαίνει ότι ένα πήκτωμα (gel) θα μπορούσε να παγιδεύσει ορισμένα μόρια αποκλείοντας άλλα, να επιβραδύνει τη διάχυση τόσο ώστε να επιτρέψει στις αντιδράσεις να προχωρήσουν και να μετριάσει τις διακυμάνσεις στο pH, τη θερμοκρασία ή την αλατότητα.
Αντί να αποτελούν παθητικά περιβάλλοντα, αυτές οι μήτρες ενδέχεται να διαμόρφωσαν ενεργά τη χημική εξέλιξη.
Πρωτο-μεταβολισμός πριν από τα κύτταρα
Ίσως το πιο ενδιαφέρον στοιχείο είναι η υπόθεση ότι τα συστήματα που μοιάζουν με πήκτωμα (gel) θα μπορούσαν να έχουν υποστηρίξει στοιχειώδεις μεταβολικές διαδικασίες πριν καν υπάρξουν πραγματικά κύτταρα.
Οι ερευνητές εξετάζουν πώς τέτοιες μήτρες θα μπορούσαν να έχουν διευκολύνει την πρωτο-μεταβολική δραστηριότητα μέσω της οξειδοαναγωγικής χημείας (redox) — αντιδράσεις που περιλαμβάνουν μεταφορά ηλεκτρονίων και είναι κεντρικής σημασίας για τον σύγχρονο μεταβολισμό.
Εξετάζουν επίσης την πιθανότητα διεργασιών που καθοδηγούνται από το φως μέσα σε περιβάλλοντα πηκτώματος, καθώς και τη χημειο-μηχανική σύζευξη, κατά την οποία οι χημικές αντιδράσεις επηρεάζουν τις φυσικές ιδιότητες της μήτρας.
Οι συντάκτες της μελέτης συζητούν το πώς τα πηκτώματα θα μπορούσαν να έχουν υποστηρίξει πρώιμες μορφές αναπαραγωγής. Μέσα σε μια δομημένη μήτρα, τα αυτοκαταλυτικά δίκτυα -σύνολα αντιδράσεων που ενισχύουν τη δική τους παραγωγή- ίσως κατάφεραν να σταθεροποιηθούν για αρκετό διάστημα ώστε να επιβιώσουν, να συσσωρεύσουν παραλλαγές και ενδεχομένως να υποβληθούν σε διαδικασίες που προσομοιάζουν με τη φυσική επιλογή.
Η κατευθυνόμενη από πρότυπο σύνθεση (template-directed synthesis), κατά την οποία τα μόρια βοηθούν στην καθοδήγηση του σχηματισμού παρόμοιων μορίων, θα μπορούσε να έχει αναδυθεί μέσα σε αυτούς τους ημιπεριορισμένους χώρους.
Σύμφωνα με αυτή την οπτική, η ζωή δεν εμφανίστηκε ξαφνικά μέσα σε μια τακτοποιημένη μεμβράνη. Αντίθετα, οργανωμένα χημικά συστήματα ίσως προέκυψαν πρώτα σε κολλώδη στρώματα (films) προσκολλημένα σε επιφάνειες.
Μόνο αργότερα η κυτταροποίηση -ο εγκλεισμός της χημείας μέσα σε μεμβράνες- θα τελειοποιούσε και θα επιτάχυνε αυτές τις διεργασίες.
Αυτή η σταδιακή προοπτική ευθυγραμμίζεται με μια ευρύτερη μετατόπιση στην έρευνα για την προέλευση της ζωής – από μοντέλα που επικεντρώνονται κυρίως σε μεμονωμένα κομβικά μόρια, προς προσεγγίσεις συστημικής χημείας, όπου το περιβάλλον, η δομή και οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις αντιμετωπίζονται ως αναπόσπαστα μέρη της χημικής εξέλιξης.
Από τα αρχαία τζελ στα εξωγήινα «ξενο-φίλμ»
Οι επιπτώσεις του μοντέλου της «προτεραιότητας του gel» εκτείνονται πολύ πέρα από την πρώιμη Γη. Στην εργασία τους, οι ερευνητές εξετάζουν πώς παρόμοιες δομές που μοιάζουν με πήκτωμα θα μπορούσαν να σχηματιστούν αλλού στο σύμπαν.
Εισάγουν την έννοια των «Xeno-films» (Ξενο-φίλμ), εξωγήινων συστημάτων που μοιάζουν με βιοφίλμ και αποτελούνται από μη γήινα -ή μερικώς γήινα- δομικά στοιχεία.
Τέτοιες δομές μπορεί να μην μοιάζουν με τα οικεία σε εμάς κύτταρα, ούτε απαραίτητα να βασίζονται στο DNA ή στις πρωτεΐνες όπως τις γνωρίζουμε.
Ωστόσο, εάν η ζωή μπορεί να αναδυθεί μέσα σε δομημένες, ενυδατωμένες μήτρες, τότε η αναζήτηση για εξωγήινη βιολογία ίσως χρειαστεί να κοιτάξει πέρα από τις κυτταρικές μορφές.
Οι συγγραφείς υπογραμμίζουν τη σημασία των «αγνωστικιστικών στρατηγικών ανίχνευσης ζωής στην αναζήτηση της ζωής όπως τη γνωρίζουμε, αλλά και όπως δεν τη γνωρίζουμε».
Αυτή η αλλαγή νοοτροπίας γίνεται ολοένα και πιο επίκαιρη καθώς οι αποστολές εξερευνούν τον Άρη, παγωμένα φεγγάρια όπως η Ευρώπη και ο Εγκέλαδος, ακόμη και τις ατμόσφαιρες μακρινών εξωπλανητών.
Εάν η ζωή αλλού ξεκινά σε πηκτώματα (gels) αντί για κύτταρα, ίσως χρειαστούμε όργανα ικανά να ανιχνεύουν δομημένα χημικά δίκτυα ή οργανικές μήτρες προσκολλημένες σε επιφάνειες — ανεπαίσθητα ίχνη που διαφορετικά θα μπορούσαν να παραβλεφθούν.
Τελικά, η υπόθεση της «προτεραιότητας του gel» δεν ισχυρίζεται ότι παρέχει μια οριστική απάντηση για την προέλευση της ζωής. Αντίθετα, προσφέρει ένα εννοιολογικό πλαίσιο – ένα πλαίσιο που ενσωματώνει τη φυσική της μαλακής ύλης, τη χημεία συστημάτων και τη μικροβιολογία σε μια ενιαία εικόνα.
Παρουσιάζοντας την πρώιμη Γη ως έναν πλανήτη όπου ενυδατωμένα πηκτώματα (gels) ήταν προσκολλημένα σε ορυκτές επιφάνειες, συγκεντρώνοντας μόρια και ρυθμίζοντας τις αντιδράσεις τους, το μοντέλο αυτό γεφυρώνει ένα μακροχρόνιο χάσμα μεταξύ χημείας και βιολογίας.
Υποδηλώνει ότι πριν οι μεμβράνες περικλείσουν τα ζωντανά συστήματα, κολλώδη στρώματα (films) ενδέχεται να παρείχαν την απαραίτητη αρχιτεκτονική για να ξεκινήσει η εξέλιξη.
Αν αυτό αληθεύει, τότε οι παλαιότεροι ζωντανοί πρόγονοι της Γης δεν ήταν κύτταρα, αλλά λεπτά, γυαλιστερά gels απλωμένα πάνω σε αρχαία πετρώματα, που έπλεκαν υπομονετικά τα πρώτα νήματα της ζωής μέσα από έναν χαοτικό κόσμο.
«Αυτή είναι μόνο μία θεωρία ανάμεσα σε πολλές στο απέραντο τοπίο της έρευνας για την προέλευση της ζωής», δήλωσε σε δελτίο Τύπου ένας από τους συγγραφείς και ερευνητής στο Κέντρο Διαστημικής Επιστήμης του Εθνικού Πανεπιστημίου της Μαλαισίας (UKM), Δρ. Kuhan Chandru.
«Ωστόσο, καθώς ο ρόλος των πηκτωμάτων έχει σε μεγάλο βαθμό παραβλεφθεί, θελήσαμε να συνθέσουμε διάσπαρτες μελέτες σε μια συνεκτική αφήγηση που θέτει τα πρωτόγονα gels στο προσκήνιο της συζήτησης».