Όταν η Κοσμική Χημεία δημιουργεί ζωή
Πως η ζωή μπορεί να έχει έλθει από ψηλά

Από σελίδα του Science News 19 Μαίου 2001

Δεξιά: Οι κάτοικοι της περιοχής Yukon του Καναδά είδαν αυτή την λάμψη καθώς ο μετεωρίτης Tagish Lake έπεφτε στη γη στις 18 Ιανουαρίου του 2000. Οι ερευνητές εξομοιώνουν την κρούση μετεωριτών και κομητών στη Γη, για ν’ αποφανθούν αν θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη δημιουργία της ζωής επί της γης πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια. (Chris Savard)

Περιεχόμενα Σελίδας:

1. Πρωταρχικές ερωτήσεις για τη ζωή στη Γη
2. Μπορούν να επιζήσουν τα αμινοξέα σε ένα ταξίδι από το διάστημα;-Πειράματα της Blank.
3. 3. Προσομοιώσεις κρούσεων από το Πανεπιστήμιο του Τόκυο.
4. Βιολογικά μόρια από το διάστημα;

1. Πρωταρχικές ερωτήσεις για τη ζωή στη Γη

Σ’ ένα εργαστήριο στο πανεπιστήμιο του Chicago, η Jennifer Blank τοποθετεί μια ατσάλινη κάψουλα στην κάνη ενός κανονιού μήκους 15 μέτρων το οποίο εκτοξεύει βλήματα που μοιάζουν σαν κουτάκια αεριούχου αναψυκτικού. Βγαίνει από το δωμάτιο της και από τη διπλανή πόρτα αυτή και οι συνάδελφοί της πυροδοτούν το όπλο να εκπυρσοκροτήσει. Ακούγεται μόνο ένας πνιχτός ήχος αλλά γνωρίζουν ότι εκείνη τη στιγμή προκάλεσαν φοβερά βίαια γεγονότα.

Αυτό το υπερμέγεθες όπλο επιτρέπει σε μια ομάδα ερευνητών όπως η γεωχημικός Blank από το Πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνιας, να εξομοιώσουν τις κρούσεις των μετεωριτών και των κομητών επί της γης. Βρίσκονται εκεί για ν’ απαντήσουν σε μια φοβερά φιλόδοξη ερώτηση:  Μπορούν οι δομικοί λίθοι της ζωής να έχουν δημιουργηθεί έξω στην διαστημική σκόνη και στη συνέχεια να έχουν μεταφερθεί και επιζήσει με τις κρούσεις αυτές στη Γη;

Σχεδόν για 100 χρόνια, οι ερευνητές αναρωτιούνται αν στη νεογέννητη Γη υπήρχε μια πρωταρχική «σούπα» με όλα εκείνα τα συστατικά, τα απαραίτητα για τη δημιουργία της ζωής. Σ’ ένα περίφημο πείραμα που διεξήχθη επιτυχημένα το 1953 στο Πανεπιστήμιο του Chicago, οι Stanley Miller και Harold Urey απέδειξαν ότι ένας ηλεκτρικός σπινθήρας που ξεσπά σ’ ένα μίγμα από υδρογόνο, νερό, αμμωνία, και μεθάνιο θα μπορούσε να πυροδοτήσει μια αντίδραση η οποία θα παρήγαγε αμινοξέα- τα βασικά συστατικά των πρωτεϊνών και γενικότερα της γήινης ζωής.

Αλλά όταν ο Miller και ο Urey εκτέλεσαν το πειραμά τους, υπέθεσαν ότι η ατμόσφαιρα εκείνης της εποχής της Γης ήταν πολύ διαφορετική από τη σημερινή. Την δεκαετία του 50 οι επιστήμονες νόμιζαν ότι η ατμόσφαιρα 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν ήταν πλούσια σε υδρογόνο και φτωχή σε οξυγόνο. Οι χημικοί αποκαλούν μια τέτοια ατμόσφαιρα αναγωγική.
Πολλοί όμως ερευνητές σήμερα έχουν την άποψη ότι η αρχαία ατμόσφαιρα της Γης είχε περισσότερο οξυγόνο και λιγότερο υδρογόνο απ’ ότι σήμερα. Τα αμινοξέα δεν σχηματίζονται τόσο εύκολα κάτω απ’ αυτές τις συνθήκες όπως γινόταν στο πείραμα του 1953, και όταν ακόμη σχηματίζονται τείνουν να διασπώνται γρήγορα.

Δεν είναι λίγες οι θεωρίες που αναπτύχθηκαν για να εξηγήσουν πως μπορεί να έχει δημιουργηθεί η ζωή στη Γη. Για παράδειγμα μερικοί ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ζωή πρωτοξεκίνησε σε κάποιο από τα πιο εξωτικά μέρη του πλανήτη, όπως στις υδροθερμικές πηγές στα βάθη της θάλασσας, ή στην επιφάνεια κάποιων βράχων.
Άλλοι περιλαμβανομένης της Blank έστρεψαν το βλέμμα προς τα έξω. Οι ερευνητές αυτοί εκτιμούν ότι τα πρωταρχικά στοιχεία της ζωής μπορεί να έφτασαν πάνω σ’ έναν αστεροειδή, κομήτη ή ακόμα και διαπλανητική σκόνη.
”Αν κάνετε μια λίστα όλων των χημικών ουσιών που χρειάζονται για να δημιουργηθεί ζωή, όλες βρίσκονται στο διάστημα” λέει ο αστροβιολόγος Max Bernstein του κέντρου ερευνών της ΝΑSA Ames και του Ινστιτούτου SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) και προσθέτει: “ Μοιάζει απίθανο να πρόκειται για σύμπτωση”.

2. Μπορούν να επιζήσουν τα αμινοξέα σε ένα ταξίδι από το διάστημα;

Η επόμενη ερώτηση που προκύπτει είναι: Θα μπορούσαν όλα αυτά τα χημικά να ταξιδέψουν από τις εξωγήινες θέσεις τους μέχρι την επιφάνεια της Γης;

Κανείς δεν ξέρει αν οι ευπαθείς χημικές ουσίες θα μπορούσαν να επιζήσουν στις μεγάλες θερμοκρασίες και πιέσεις που συνοδεύουν την άφιξη ενός μετεωρίτη ή κομήτη.
Ούτε κανείς γνωρίζει με ποιο τρόπο ένας αστεροειδής, μετεωρίτης ή κομήτης καθώς συγκρούεται με τη Γη θα μπορούσε ν’ αλλάξει τοπικά την ατμόσφαιρα της Γης, ίσως κάνοντάς την πιο φιλική στη ζωή.
Η έλλειψη μαρτυρίας για τέτοιες συγκρούσεις από πρώτο χέρι αναγκάζει τους ερευνητές να ψάξουν για απαντήσεις στα παραπάνω θέματα κάνοντας εξομοιώσεις όπως μαθηματικούς υπολογισμούς και μοντέλα στον υπολογιστή. Ένας άλλος δρόμος είναι αυτός που ακολουθεί η Blank. Κατευθείαν στο εργαστήριο αυτή και οι συνεργάτες της αναπλάθουν την συμπεριφορά των κομητών και μετεωριτών καθώς χτυπούν τη Γη.

Δεξιά: Μετά την κρούση ενός πλαστικού βλήματος μ’ ένα κομμάτι χαλκού με ταχύτητα 5,7km/sec το βλήμα διαλύεται δημιουργώντας ένα σύννεφο ατμών.Ο άνθρακας στα μικροθραύσματα αντιδρά με το άζωτο της ατμόσφαιρας και σχηματίζει κυάνιο (μπλε χρώμα) (Sugita and Schultz, NASA Ames Vertical Gun Range) (Sugita and Schultz, NASA Ames Vertical Gun Range)

Σύμφωνα με τον Christopher Chyba του SETI και του Πανεπιστημίου του Stanford, οι πολύ μεγάλοι κομήτες πιθανόν να έφεραν μεγάλες ποσότητες εξωγήινου υλικού στην νεαρή Γη. Επειδή κατ’ αρχήν τα συστατικά της ζωής σχεδόν σίγουρα περιέχονταν σ’ αυτό το συνονθύλευμα του διαστημικού υλικού ο Chyba και η Elisabetta Pierazzo του Πανεπιστημίου της Αριζόνα έφτιαξαν ένα μαθηματικό μοντέλο των κρούσεων των κομητών και των αστεροειδών επί της γης.

Συμπέραναν λοιπόν το 1999 ότι κάποια αμινοξέα σε κομήτες μεγέθους χιλιομέτρων θα μπορούσαν πράγματι να επιζήσουν μετά από μετωπικό χτύπημα επί της γήινης επιφάνειας. Ακόμη περισσότερα μόρια θα μπορούσαν να επιζήσουν μετά από χτύπημα υπό γωνίαν. Οι επιστήμονες βρήκαν επίσης ότι μερικοί τύποι αμινοξέων άντεχαν πιο πολύ από άλλους σε παρόμοιες κρούσεις.

Όσο και αν είναι διεγερτικοί τέτοιοι θεωρητικοί υπολογισμοί η αξία τους είναι περιορισμένη αν δεν επιβεβαωθούν πειραματικά. Τα πειράματα αυτά είναι που οδήγησαν στην κατασκευή αυτών των μεγάλων όπλων.
Η Blank υποπτεύεται ότι οι κομήτες ιδιαίτερα, θα μπορούσαν να δώσουν στη Γη κάθε τι που απαιτείται για τη ζωή. Φασματοσκοπικές μελέτες έδειξαν ότι οι κομήτες περιέχουν οργανικά υλικά στα οποία περιλαμβάνονται και τα συστατικά των αμινοξέων. «Οι κομήτες επίσης περιέχουν νερό και η ενέργεια που εκλύεται κατά την κρούση θα μπορούσε να ξεκινήσει τις πρώτες αντιδράσεις που οδηγούν στη δημιουργία ζωής» προσθέτειη Blank.

Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα με την ιδέα αυτή. Στον δοκιμαστικό σωλήνα, αυτά τα μόρια διασπώνται αρκετά πιο χαμηλά από τις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται σε μια κρούση. Πως θα μπορούσαν λοιπόν να επιζήσουν σε μια πραγματική σύγκρουση;

Δεξιά: Αυτό το όπλο βάρους 3.000 kg στο Πανεπιστήμιο του Chicago χρησιμοποιούσε μερικά κιλά εκρηκτικής γόμωσης για να εξομοιωθεί η πρόσκρουση ενός κομήτη. (Blank)
Για κάποιο λόγο ένας κομήτης, λέει η Blank, δεν είναι δοκιμαστικός σωλήνας. Και τα εργαστηριακά πειράματα στο πάγκο του χημείου αγνοούν ένα παράγοντα, την πίεση. «Έχουμε μια φτωχή διαίσθηση των αποτελεσμάτων που προκαλεί η πίεση» λέει η Blank.

Για να ξεκαθαριστεί αν τα αμινοξέα μπορούν ν’ αντέξουν σε πιέσεις 200.000 ατμοσφαιρών και σε θερμοκρασίες 500ο έως 600ο C η Blank και οι συνεργάτες της δημιούργησαν μερικές από τις καλύτερες φυσικές εξομοιώσεις μέχρι τώρα. Σε κάθε δοκιμή συσκευάζουν διάλυμα αμινοξέων σ’ ένα δίσκο από ανοξείδωτο ατσάλι και βάζουν το δίσκο σε μια μεγάλη δεξαμενή. Πυροβολούν το δίσκο μ’ ένα βλήμα με μεταλλική μύτη που έχει ταχύτητα σχεδόν 2km/sec. Η Blank λέει ότι η πρώτη συσκευή που χρησιμοποίησαν έμοιαζε με κανόνι βάρους τριών τόνων.

Μετά το άνοιγμα του ατσάλινου περιβλήματος η Blank και οι συνεργάτες της βρήκαν ότι κάποιο ποσοστό από τα 5 αμινοξέα που είχαν δοκιμάσει επέζησε κατά την πρόσκρουση. Στην πραγματικότητα οι βίαιες αντιδράσεις μετέτρεψαν κιόλας μερικά αμινοξέα σε πεπτίδια, τα αλυσοειδή εκείνα μόρια από τα οποία δομούνται οι πρωτεΐνες. Τα αποτελέσματα αυτά αναφέρθηκαν από την ομάδα στο συνέδριο της Αμερικανικής Χημικής Εταιρίας τον Απρίλιο στο San Diego.

Η ίδια ομάδα στο εργαστήριο του Los Alamos χρησιμοποίησε ένα εξίσου μεγάλο όπλο αλλά έψυξε το ατσάλινο κουτί των αμινοξέων για να εβομοιώσει καλύτερα τις συνθήκες σ’ ένα κομήτη. Σε σύγκριση με τα αποτελέσματα του Chicago, επέζησε ακόμη μεγαλύτερο ποσοστό των αμινοξέων. Σχηματίστηκαν επίσης διαφορετικά πεπτίδια όταν μεταβλήθηκε η πίεση και η διάρκεια των συγκρούσεων με κατάλληλη μεταβολή της ταχύτητας του βλήματος και του πάχους της μύτης του.
Τα πειράματα αυτά υποστηρίζουν την δυνατότητα να έχουν μεταφέρει οι κομήτες στη γη τα αμινοξέα και άλλα σπουδαία βιολογικά υλικά.

Άριστερά: Ένας δίσκος 2.5- εκατοστών στο κέντρο της συσκευής περιέχει μια σταγόνα διαλύματος αμινοξέος και βρίσκεται στο κέντρο του θαλάμου που αποτελεί στόχο του όπλου. Δεξιά: Μόλις το όπλο εξομοίωσε την πρόσκρουση ενός κομήτη, το δείγμα πέρασε μέσα από έναν αγωγό σε μια δεξαμενή, και ο θάλαμος-στόχος γέμισε με τα μικροσκοπικά θραύσματα. (Blank)

Με τα πειράματα αυτά επιτυγχάνονται ρεαλιστικές προσομοιώσεις των πιέσεων και των θερμοκρασιών. Η διάρκεια όμως των κρούσεων στο εργαστήριο είναι πολύ μικρότερη απ’ αυτή που θα περιμέναμε σε μια πραγματική κρούση μεγάλης κλίμακας. Η Blank παρατηρεί ότι, τα μέχρι τώρα αποτελέσματα ενισχύουν την άποψη πως η επιμήκυνση του χρόνου κρούσης παράγει ακόμη περισσότερα πεπτίδια.

3. Προσομοιώσεις κρούσεων από το Πανεπιστήμιο του Τόκυο.

Μια άλλη ερευνητική ομάδα, αυτή του Seiji Sugita του Πανεπιστημίου του Τόκυο εκτελεί παρόμοια πειράματα για να εξομοιώσει τις συνθήκες αλληλεπίδρασης των μετεωριτών με την ατμόσφαιρα καθώς οι μετεωρίτες προσκρούουν επί της Γης.
Στα πειράματα αυτά ο Sugita έχει βρει ότι μετεωρίτες πλούσιοι σε σίδηρο αλλάζουν τοπικά την ατμόσφαιρα γύρω από το σημείο κρούσης. Πιο συγκεκριμένα ελαττώνουν τη συγκέντρωση του οξυγόνου βοηθώντας έτσι το σχηματισμό των αμινοξέων.
”Με τέτοιου τύπου ατμοσφαιρική αλλαγή, οργανικά υλικά που αποτέθηκαν από τους μετεωρίτες θα μπορούσαν να συμμετέχουν σε αντιδράσεις που σχημάτισαν τα πρώτα βιολογικά σημαντικά μόρια” λέει ο Sugita ο οποίος παρουσίασε επίσης τα αποτελέσματά του στο συνέδριο του Απριλίου της Αμερικανικής Χημικής Εταιρίας.

Για να φθάσει στα αποτελέσματα αυτά η ομάδα του Sugita έκανε φασματοσκοπική ανάλυση του φωτός που εκπεμπόταν από την περιοχή της κρούσης σε χρονική διάρκεια χιλιοστού του δευτερολέπτου. Η θραύση του βλήματος σε μικροσκοπικά θραύσματα δημιουργούσε θερμοκρασίες της τάξης των αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου.
Το πείραμα του Sugita δείχνει πως ακόμη και μια αρχαία γήινη ατμόσφαιρα που ήταν εχθρική στο σχηματισμό βιολογικών μορίων, μεταμορφώνεται προσωρινά σε φιλικότερη και δίνεται έτσι η ευκαιρία να ακολουθήσουν και τα υπόλοιπα βήματα προς το σχηματισμό της ζωής.

4. Βιολογικά μόρια από το διάστημα;

Άλλοι ερευνητές εξετάζουν το αντίθετο άκρο στις προσκρούσεις εξωγήινων σωμάτων στη γη. Εξετάζουν δηλαδή το ενδεχόμενο, μικροί κόκκοι αστεροειδών και κομητών να έχουν μεταφέρει απευθείας στη γη βιολογικά μόρια προαπαιτούμενα για την εξέλιξη της ζωής.
Οι Daniel P. Glavin και Jeffrey L. Bada του Πανεπιστημίου της California στο San Diego, μελετούν αν τα αμινοξέα μπορούν να επιζήσουν των υψηλών θερμοκρασιών καθώς τέτοια μικροσκοπικά αντικείμενα εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της γης. «Ακόμη και ένα μόνο αμινοξύ, η γλυκίνη να τα καταφέρει να επιζήσει σ’ αυτή την υψηλή θερμοκρασία θα μπορούσε να δώσει το έναυσμα για τη ζωή» λένε.

Η γλυκίνη θα μπορούσε ν’ αποτελέσει τη ραχοκοκαλιά ενός μορίου που λέγεται πεπτιδικό πυρηνικό οξύ και το οποίο ίσως έχει παίξει το ρόλο του προγόνου των DNA και RNA.
Μια άλλη οπτική γωνία, αυτή των Steel και Christopher McKay στο κέντρο ερευνών Ames της NASA, ερευνά ένα πληθυσμό μικρών μετεωριτών οι οποίοι εξαχνώνονται σε υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας απ’ ότι οι συνήθεις και οι οποίοι αποτελούντα από βράχους και μέταλλα.
Οι ερευνητές υποπτεύονται ότι η αιτία για την πρόωρη και ταχεία καύση τους είναι η παρουσία μεγάλων οργανικών μορίων. Τέτοια οργανικά μόρια δεν είναι αρκετά ευκίνητα ώστε να διαφύγουν από τους μετεωρίτες καθώς αυτοί ταξιδεύουν κοντά στον ήλιο και θα μπορούσαν θεωρητικά να επιζήσουν σε ταξίδια χιλιάδων ετών στο διάστημα. Τα απομεινάρια αυτών των μετεωριτών δεν θα αποσυντίθονταν τελείως μέσα στην ατμόσφαιρα και θα μπορούσαν να πέσουν σαν βροχή πάνω στη γη.

Η αποστολή Stardust είναι καθ’ οδόν για να μαζέψει δείγματα από τον κομήτη Wild 2. Η αποστολή σχεδιάζεται να επιστρέψει στη Γη το 2006.
Αρκετές άλλες διεθνείς προσπάθειες να συλλέξουν υλικό από κομήτες και αστεροειδείς θα ακολουθήσουν τα προσεχή χρόνια.