Kas padara dzīvi par dzīvi? Ja padomā, viens no vispamatīgākajiem un aizraujošākajiem tās aspektiem ir, protams, spēja vairoties. Katrs dzīvs organisms, sākot no vienkāršākajām baktērijām līdz sarežģītākajiem zīdītājiem, parādās uz zemes, pateicoties tam, ka tā “vecāki” rada pēcnācējus no sava šūnu materiāla. Šis mums tik ierastais process balstās uz pārsteidzoši sarežģītu un precīzu bioķīmiju, kur katrs solis ir rūpīgi izsvērts.
Satura rādītājs
Mēs esam pieraduši domāt, ka dzīve nav iedomājama bez DNS, olbaltumvielām, sarežģīta metabolisma — īsi sakot, bez visa šī sarežģītā bioķīmiskā mehānisma. Ne velti lielais Rūdolfs Virhova, šūnu patoloģijas tēvs, jau 1858. gadā skaidri formulēja: “Katra šūna cēlusies no iepriekšējās šūnas”. Citiem vārdiem sakot, dzīve rada dzīvi, un šī ķēde, šķiet, ir neizjauktama.
Bet kas notiktu, ja pašreprodukcija varētu notikt bez šīs sarežģītās ķīmiskās “maģijas”? Vai “dzīve” — vai vismaz tās svarīgākā funkcija — varētu rasties un turpināties vidē, kas ir pilnīgi brīva no bioķīmiskajiem procesiem?
Izaicinājums ierastajiem uzskatiem
Līdz nesenai pagātnei daudzi zinātnieki uzskatīja to par fantastiku. Jā, bija mēģinājumi laboratorijā radīt kaut ko līdzīgu reprodukcijai: dažas molekulas varēja pašorganizēties, imitējot kaut ko līdzīgu dalīšanās procesam. Bet šie procesi vienmēr tā vai citādi balstījās uz bioķīmiskajiem principiem, lai gan vienkāršotiem, vai arī neparādīja patiesu autonomu pašreprodukciju.
Un te uz skatuves parādījās pētnieki no Hārvarda Universitātes, kuri nolēma izaicināt mūsu ierastās priekšstatis. Viņu ideja bija drosmīga, bet eleganta: izveidot sistēmu, kurā sintētiskas šūnu līdzīgas struktūras varētu veidoties un vairoties, nemaz neizmantojot bioloģiskas molekulas.9
Ķīmiskā “virtuve” “mākslīgajām šūnām”
Kā viņi to izdarīja? Iedomājieties nelielu kolbu, kurā ievietoti komponenti, kas pēc pirmā acu uzmetiena vispār nevarētu pašorganizēties. Tas bija ūdens šķīdums ar hidrofilu polimēru (tādu, kas “mīl” ūdeni), kam bija pievienots viltīgs “ķēdes pārneses aģents” (CTA) ar hidrofobām īpašībām (t. i., “baidās” no ūdens). Turpat tika pievienots monomērs — tāda kā “būvniecības” molekula — un fotokatalizators, sava veida ķīmiskais reakcijas “iedarbinātājs”, kas ir jutīgs pret gaismu. Viss šis maisījums atradās inertā slāpekļa atmosfērā, lai izslēgtu nevēlamas reakcijas. Būtībā tas bija “vienkameru reaktors”, kurā visam vajadzēja notikt pašam no sevis.
Kas notika tālāk? Maisījumu novietoja zem maiga zaļa gaismas avota (530 nanometru) uz pusotru stundu temperatūrā, kas bija nedaudz augstāka par cilvēka ķermeņa temperatūru — 33 °C.
Protoklīšu dzimšana un to pārsteidzošais dejas
Un šeit sākas visinteresantākais. Zaļās gaismas ietekmē tika iedarbināta īpaša reakcija, kas pazīstama kā foto-reversibila polimerizācija ar ķēdes pārnesi, izmantojot pievienošanu-fragmentāciju (RAFT). Skan sarežģīti, bet būtība ir tāda, ka sākotnējās molekulas sāka pārvērsties kaut kādā pilnīgi citā vielā — tā sauktajos amfifilajos blok-kopolimēros.
Kas ir šie noslēpumainie “amfifili”? Iedomājieties molekulas, kurām viens gals “mīl” ūdeni, bet otrs — “baidās” no tā. Atceraties, kā darbojas ziepes? Tās pieķeras pie taukiem ar “hidrofobu” asti, bet “hidrofīlā” galva izšķīst ūdenī, aiznesot netīrumus. Līdzīgi, ūdens vidē šie jaunie amfifīlie kopolimēri sāka pašorganizēties. To “ūdensbailīgās” daļas centās paslēpties no ūdens, bet “ūdensmīlošās” — palikt uz virsmas. Rezultātā tās spontāni veidoja sīkas, dobas sfēras, kas ļoti līdzinājās šūnu vezikulām. Zinātnieki tās nosauca par sintētiskām vai polimēru proktocellām. Pārsteidzoši, vai ne? Vienkārši gaisma, dažas ķīmiskas vielas — un nekādu sarežģītu bioloģisku instrukciju.
Bet visvairāk pārsteidz tas, ka šīs mākslīgās “šūnas” ne tikai veidojās un pastāvēja. Tās sāka augt un… vairoties! Šīs vezikulas izauga līdz noteiktam izmēram, un tad, gluži kā dzīvas šūnas, dalījās, atbrīvojot sīkas polimēru “sporas”.
Šīs “sporas” kļuva par “sēklām” jaunām vezikulām. Un vissvarīgākais — katra jauna “meitas” struktūra mantoja noteiktas īpašības no savas “mātes” vezikulas. Notika nelineārs, eksponenciāls šo struktūru skaita pieaugums.
Tas ir ļoti līdzīgi tam, kā dalās baktērijas vai vienkāršākās aļģes, tikai šeit nav ne DNS, ne RNS, ne fermentu, ne mums pazīstamu bioķīmisko mehānismu. Tikai vienkārša, bet neparasti “gudra” ķīmija.
Atverot durvis uz pagātni un nākotni
Šis pētījums nav vienkārši jautrs eksperiments laboratorijā. Tas liek apšaubīt daudzus mūsu priekšstatus par to, kas ir dzīve un kā tā varēja rasties.
Pirmkārt, tas parāda, ka pašreprodukcija, kas ir visu dzīvo sistēmu galvenā īpašība, var rasties no vienkāršām ķīmiskām reakcijām bez jebkādas bioķīmiskas sarežģītības. Tas paver jaunas perspektīvas teorijām par dzīvības rašanos uz Zemes. Varbūt pirmie dzīves “ķieģelīši” bija tieši tādi — vienkāršas, nebioloģiskas struktūras, spējīgas pašorganizēties un vairoties, kas tikai laika gaitā “apauga” ar arvien sarežģītāku bioķīmiju? Tas ir kā ieskatīties mūsu planētas tālajā pagātnē un redzēt iespējamo scenāriju, kā radās visa dzīve.
Otrkārt, tas ir nozīmīgi astrobioloģijai — zinātnei, kas pēta dzīvi ārpus Zemes. Ja dzīve var pašreproduktīvi attīstīties bez mūsu “zemes” bioķīmijas, tad kaut kur Visumā var pastāvēt pilnīgi citas “dzīves” formas, kas balstās uz citiem ķīmiskajiem principiem. Mēs varam meklēt ne tikai oglekļa dzīvi uz ūdens bāzes, bet arī kaut ko pilnīgi citu, ko iepriekš pat nevarējām iedomāties.
Treškārt, tas paver ceļu pilnīgi jaunu abiotisku, “dzīves līdzīgu” sistēmu radīšanai. Iedomājieties materiālus, kas spēj pašatjaunoties vai pašreproduktīvi, jauna veida nanorobotus vai pat mākslīgus organismus, kas darbojas pēc nebioloģiskiem principiem. Iespējas šķiet patiesi neierobežotas.
Harvarda zinātnieku pētījums ir ne tikai solis, bet patiesi liels lēciens dzīves pamatprincipu izpratnē. Tas atgādina mums, ka daba ir daudz izdomātāka, nekā mēs varam iedomāties. Un, iespējams, “dzīve” ir ne tikai tas, ko mēs redzam ap sevi, bet arī kaut kas daudz universālāks un pārsteidzošāks, kas var būt slēpts vienkāršākajos ķīmiskajos procesos. Kas zina, kādus noslēpumus vēl glabā vienkāršo molekulu pasaule?
