Το θείο και η προέλευση της ζωής
Μια μελέτη υπό την καθοδήγηση του Πανεπιστημίου της Αριζόνα στρέφει τα φώτα της δημοσιότητας στο θείο, ένα χημικό στοιχείο που, αν και είναι γνωστό, έχει αποδειχθεί εκπληκτικά ανθεκτικό στις επιστημονικές προσπάθειες για τη διερεύνηση του ρόλου του στην προέλευση της ζωής.
Πολλοί καλλιτέχνες προσπάθησαν να απεικονίσουν πώς θα μπορούσε να ήταν η Γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, πριν εμφανιστεί η ζωή. Πολλές σκηνές ανταλλάσσουν τα χιονισμένα βουνά με τα ηφαίστεια που αναβλύζουν από λάβα και τον γαλάζιο ουρανό με τους κεραυνούς που σφυροκοπούν ό,τι βρίσκεται κάτω από έναν μουντό ουρανό.
Αλλά πώς έμοιαζε στην πραγματικότητα η πρώιμη Γη; Το ερώτημα αυτό αποτελεί αντικείμενο έντονης επιστημονικής έρευνας εδώ και δεκαετίες.
Μια δημοσίευση με επικεφαλής τον Sukrit Ranjan, επίκουρο καθηγητή στο Σεληνιακό και Πλανητικό Εργαστήριο του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, ρίχνει τα φώτα της δημοσιότητας στο θείο, ένα χημικό στοιχείο που, αν και είναι γνωστό, έχει αποδειχτεί εκπληκτικά ανθεκτικό στις επιστημονικές προσπάθειες για τη διερεύνηση του ρόλου του στην προέλευση της ζωής.
«Η εικόνα μας για την πρώιμη Γη είναι αρκετά ασαφής», είπε ο Ranjan, ο οποίος διερευνά τις συγκεντρώσεις θείου στα νερά και την ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης. Οι ίδιες διαδικασίες που καθιστούν τον πλανήτη μας κατοικήσιμο -το νερό σε υγρή μορφή και η τεκτονική των πλακών- καταστρέφουν συνεχώς τους βράχους που κατέχουν το γεωλογικό αρχείο της Γης», υποστηρίζει. «Είναι υπέροχο για εμάς γιατί ανακυκλώνει θρεπτικά συστατικά που διαφορετικά θα ήταν εγκλωβισμένα στον φλοιό της Γης, αλλά είναι τρομερό για τους γεωλόγους με την έννοια ότι απομακρύνει τους αγγελιοφόρους».
Δημοσιεύτηκε στο περιοδικό AGU Advances τον Δεκέμβριο, η εργασία του Ranjan επιλέχθηκε ως το επίκεντρο του συντάκτη, ως αναγνώριση των «πειραμάτων που ήταν εξαιρετικά δύσκολα να εκτελεστούν αλλά παρείχαν περιορισμούς για τα συνεχιζόμενα εργαστηριακά πειράματα προβιοτικής χημείας».
Στον πυρήνα των προσπαθειών για να τραβήξει το παραπέτασμα για την εμφάνιση της ζωής στη Γη ήταν μια έννοια γνωστή έννοια ως «κόσμος RNA», είπε ο Ranjan, αναφερόμενος στο ριβονουκλεϊκό οξύ, μια κατηγορία μορίων που υπάρχουν σε κάθε ζωντανό κύτταρο και είναι ζωτικής σημασίας στη ζωή όπως την ξέρουμε.
Η υπόθεση του κόσμου του RNA βασίζεται σε ένα ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της σύγχρονης βιολογίας, το οποίο είναι αυτό από τις 4 κύριες κατηγορίες βιομορίων - αμινοξέα, υδατάνθρακες, λιπίδια και νουκλεϊκά οξέα - το RNA είναι το μόνο που μπορεί να εκτελέσει το ρόλο ενός ενζύμου με αποθήκευση και αναπαραγωγή της γενετικής πληροφορίας, δημιουργώντας αντίγραφα του εαυτού της, όλα από μόνη της. Υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα: Είναι πραγματικά δύσκολο να το φτιάξεις.
Θειώδες
«Για περίπου 50 χρόνια, οι άνθρωποι προσπαθούσαν να καταλάβουν πώς να φτιάξουν RNA χωρίς ένζυμα, όπως το κάνει η βιολογία», είπε ο Ranjan, εξηγώντας ότι μόλις τα τελευταία πέντε χρόνια οι ερευνητές ανακάλυψαν μη ενζυμικές οδούς που κάνουν RNA.
«Αν μπορούμε να πάρουμε RNA, τότε στον μακρινό ορίζοντα βλέπουμε ένα μονοπάτι για να ξεκινήσουν όλα τα άλλα», είπε. «Και αυτό θέτει το ερώτημα: Ήταν πράγματι αυτό το μόριο διαθέσιμο νωρίτερα σε οποιαδήποτε ποσότητα; Και αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα μεγάλο ανοιχτό ερώτημα».
Πρόσφατα, οι επιστήμονες ολοκλήρωσαν μια αναζήτηση μισού αιώνα για να δημιουργήσουν μόρια RNA χωρίς βιολογικά ένζυμα, ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός για την επίδειξη του κόσμου του RNA. Ωστόσο, όλα αυτά τα χημικά μονοπάτια βασίζονται σε ένα κρίσιμο μόριο θείου, που ονομάζεται «θειώδες». Μελετώντας δείγματα πετρωμάτων από μερικά από τα παλαιότερα πετρώματα της Γης, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι υπήρχε άφθονο θείο για να κυκλοφορήσει στην πρώιμη, προβιοτική Γη. Αλλά πόσο από αυτό ήταν στην ατμόσφαιρα; Πόσο από αυτό κατέληξε στο νερό; Και πόσο από αυτό κατέληξε ως θειώδες που παράγει RNA; Αυτές είναι οι ερωτήσεις που ο Ranjan και η ομάδα του που έπρεπε να απαντήσουν.
«Μόλις είναι στο νερό, τι γίνεται με αυτό; Κολλάει για πολλή ώρα ή φεύγει γρήγορα; Για τη σύγχρονη Γη ξέρουμε την απάντηση - το θειώδες λατρεύει να οξειδώνεται ή να αντιδρά με το οξυγόνο, οπότε θα εξαφανιστεί εξαιρετικά γρήγορα».
Αντίθετα, όπως δείχνουν τα γεωλογικά στοιχεία, υπήρχε πολύ λίγο οξυγόνο στην ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης, κάτι που θα μπορούσε να είχε επιτρέψει τη συσσώρευση θειώδους και να διαρκέσει πολύ περισσότερο. Ωστόσο, ακόμη και απουσία οξυγόνου, το θειώδες άλας είναι πολύ αντιδραστικό και πολλές αντιδράσεις θα μπορούσαν να το έχουν καθαρίσει από το πρώιμο περιβάλλον της Γης.
Μια τέτοια αντίδραση είναι γνωστή ως μια διαδικασία με την οποία πολλά θειώδη αντιδρούν μεταξύ τους, μετατρέποντάς τα σε θειικό άλας και στοιχειακό θείο, τα οποία δεν είναι χρήσιμα για τη χημεία προέλευσης της ζωής. Πόσο γρήγορη είναι όμως αυτή η διαδικασία; Θα επέτρεπε τη δημιουργία επαρκών ποσοτήτων θειωδών για να ξεκινήσει η ζωή;
«Κανείς δεν το έχει εξετάσει πραγματικά σε βάθος εκτός άλλων πλαισίων, κυρίως της διαχείρισης των λυμάτων», είπε ο Ranjan.
Η ομάδα του στη συνέχεια ξεκίνησε να διερευνήσει αυτό το πρόβλημα κάτω από διάφορες συνθήκες, μια προσπάθεια που χρειάστηκε 5 χρόνια από το σχεδιασμό των πειραμάτων μέχρι τη δημοσίευση των αποτελεσμάτων.
«Από όλα τα άτομα που αποθηκεύουν τα προβιοτικά, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα, του υδρογόνου, του αζώτου, του οξυγόνου, του φωσφόρου και του θείου, το θείο είναι ίσως το πιο ακανθώδες», έγραψε ο Sonny Harman του Ερευνητικού Κέντρου Ames της NASA, σε ένα άρθρο που συνόδευε τη δημοσίευση. Λόγω της ανυπομονησίας του να εισέλθει σε χημικές αντιδράσεις, «οι ενώσεις θείου τείνουν να είναι πιο ασταθείς, θέτοντας κινδύνους για το προσωπικό και τον εξοπλισμό του εργαστηρίου, φράζουν τα όργανα και τα πειράματα».
Ο εφιάλτης μιας τεχνολογίας εργαστηρίου
Στην εγκατάσταση τους, ο Ranjan και οι συνεργάτες του διέλυσαν θειώδες άλας σε νερό σε διάφορα επίπεδα οξύτητας ή αλκαλικότητας, το κλείδωσαν σε ένα δοχείο κάτω από μια ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο και το άφησαν να «γεράσει», όπως το έθεσε ο Ranjan. Κάθε εβδομάδα, η ομάδα μετρούσε τις συγκεντρώσεις διαφόρων θειωδών με υπεριώδες φως. Στο τέλος του πειράματος, υπέβαλαν μια σειρά αναλύσεων, όλες προσανατολισμένες στην απάντηση σε μια σχετικά απλή ερώτηση: «Πόσο ακριβώς από αυτό το αρχικό μόριο έχει απομείνει και σε τι μετατράπηκε;»
Τα θειώδη, όπως αποδείχθηκε, ήταν δυσανάλογα πολύ πιο αργά από ό,τι είχε η συμβατική σοφία. Προηγούμενες μελέτες, για παράδειγμα, είχαν υποστηρίξει την ιδέα μιας ομίχλης θείου που κατακλύζει την πρώιμη Γη, αλλά η ομάδα του Ranjan διαπίστωσε ότι τα θειώδη διασπώνται κάτω από το υπεριώδες φως πιο γρήγορα από το αναμενόμενο. Ελλείψει στρώματος όζοντος κατά τις πρώτες μέρες της Γης, αυτή η διαδικασία, γνωστή ως φωτόλυση, θα είχε γρήγορα καθαρίσει τις ενώσεις του θείου από την ατμόσφαιρα και το νερό, αν και όχι τόσο αποτελεσματικά όσο το άφθονο οξυγόνο στον σημερινό κόσμο.
Αν και είναι εύλογο ότι η αργή δυσαναλογία θα μπορούσε να επιτρέψει τη συσσώρευση θειωδών, η φωτόλυση θα το έκανε πολύ απίθανο, εκτός από ορισμένα περιβάλλοντα, όπως πισίνες ρηχών υδάτων, σκιασμένες από την υπεριώδη ακτινοβολία, ιδιαίτερα εάν τροφοδοτούνται από επιφανειακή απορροή για να παρέχουν ασπίδες ορυκτών. Παραδείγματα περιλαμβάνουν υπόγειες πισίνες ή ανθρακικές λίμνες κλειστής λεκάνης, κοιλώματα χωρίς αποστράγγιση όπου συσσωρεύονται ιζήματα αλλά το νερό μπορεί να φύγει μόνο με εξάτμιση.
«Σκεφτείτε υδάτινα σώματα όπως το Great Salt Lake στη Γιούτα ή η Mono Lake στην Καλιφόρνια», είπε ο Ranjan, προσθέτοντας ότι τα υδροθερμικά περιβάλλοντα αναδεικνύονται ως καυτά υποψήφια για την πρώτη εμφάνιση της ζωής. Εδώ, τα υπόγεια ύδατα που μεταφέρουν διαλυμένα ορυκτά έρχονται σε επαφή με τη θερμότητα από ηφαιστειακή δραστηριότητα, δημιουργώντας μοναδικά μικροπεριβάλλοντα που προσφέρουν ασφαλείς χώρους για χημικές διεργασίες που δεν θα μπορούσαν να συμβούν αλλού».
Τέτοια μέρη μπορούν να βρεθούν σε κορυφογραμμές στη μέση του ωκεανού στη βαθιά θάλασσα, αλλά και στην ξηρά, είπε ο Ranjan.
«Ένα σύγχρονο παράδειγμα αυτού είναι το Εθνικό Πάρκο Yellowstone, όπου βρίσκουμε πισίνες που συσσωρεύουν πολύ θειώδες άλας, παρά το οξυγόνο», είπε, «και αυτό μπορεί να συμβεί μόνο και μόνο επειδή το θειώδες άλας αναπληρώνεται συνεχώς από ηφαιστειακή εξάτμιση αερίων».
Η μελέτη παρέχει ευκαιρίες να ελεγχθεί πειραματικά η υπόθεση της διαθεσιμότητας θειωδών στην εξέλιξη των πρώτων μορίων της ζωής, επισημαίνουν οι συγγραφείς. Ο Ranjan είπε ότι ένα πεδίο έρευνας τον ενθουσιάζει ιδιαίτερα - η φυλογενετική μικροβιολογία, η οποία χρησιμοποιεί ανάλυση γονιδιώματος για να ανακατασκευάσει τα σχέδια μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν θείο που πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύουν το αρχαιότερο phylum στη Γη.
Υπάρχουν ενδείξεις ότι αυτά τα βακτήρια αποκτούν ενέργεια μειώνοντας τις πολύ οξειδωμένες μορφές θείου σε λιγότερο οξειδωμένες. Παραδόξως, επεσήμανε ο Ranjan, εξαρτώνται από έναν αρκετά περίπλοκο μηχανισμό ενζύμων για το πρώτο βήμα, μειώνοντας τα θειικά, την άφθονη «μοντέρνα» μορφή του θείου, σε θειώδη, υποδηλώνοντας ότι αυτά τα ένζυμα είναι το προϊόν μιας μακράς εξελικτικής διαδικασίας. Αντίθετα, μόνο ένα ένζυμο εμπλέκεται στη μετατροπή από θειώδη - το προτεινόμενο βασικό συστατικό σε «περιβάλλοντα προβιοτικά» - σε σουλφίδιο.
«Εάν αληθεύει, αυτό σημαίνει ότι το θειώδες άλας ήταν παρόν στο φυσικό περιβάλλον σε τουλάχιστον ορισμένα υδάτινα σώματα, παρόμοια με αυτά που υποστηρίζουμε εδώ», είπε. «Οι γεωλόγοι μόλις τώρα στρέφονται σε αυτό. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αρχαίους βράχους για να ελέγξουμε αν είναι πλούσιοι σε θειώδη; Δεν ξέρουμε ακόμα την απάντηση. Αυτή είναι η επιστήμη».
Γεωδίφης με πληροφορίες από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνας
Περισσότερα,
Sukrit Ranjan, Khaled Abdelazim, Gabriella G. Lozano, Sangita Mandal, Cindy Y. Zhou, Corinna L. Kufner, Zoe R. Todd, Nita Sahai, Dimitar D. Sasselov. Geochemical and Photochemical Constraints on S[IV] Concentrations in Natural Waters on Prebiotic Earth. AGU Advances, 2023; 4 (6) DOI: 10.1029/2023AV000926
Sonny Harman. The Search for Slow Sulfur Sinks. AGU Advances, 2023; 4 (6) DOI: 10.1029/2023AV001064
https://www.arizona.edu/