Mnogi umetnici su pokušali da prikažu kako je Zemlja mogla izgledati pre nekoliko milijardi godina, pre nego što se život pojavio. Mnoge scene menjaju snegom prekrivene planine za vulkane koji šikljaju lavom, a plavo nebo za munje koje udaraju ono što je ispod sa maglovitog neba.
Ali kako je rana Zemlja zapravo izgledala? Ovo pitanje je decenijama predmet intenzivnog naučnog istraživanja.
Publikacija koju vodi Sukrit Ranjan, docent u Lunarnoj i planetarnoj laboratoriji Univerziteta u Arizoni, osvetljava sumpor, hemijski element koji se – iako poznat – pokazao iznenađujuće otpornim na naučne napore u ispitivanju njegove uloge u nastanku života.
Rad je objavljen u časopisu AGU Advances.
„Naša slika rane Zemlje je prilično nejasna“, rekao je Ranjan, koji istražuje koncentracije sumpora u vodama i atmosferi rane Zemlje. Isti procesi koji čine našu planetu nastanjivom – tektonika tečne vode i ploča – neprestano uništavaju stene koje drže Zemljin geološki zapis, tvrdi on. „To je odlično za nas jer reciklira hranljive materije koje bi inače bile zaključane u Zemljinoj kori, ali je užasno za geologe u smislu da uklanja glasnike.“
Ranjanov rad je izabran kao urednikov vrhunac, u znak priznanja „eksperimenata koji su bili izuzetno teški za izvođenje, ali predstavljaju ograničenja za tekuće laboratorijske eksperimente prebiotske hemije“.
U srži napora da se povuče zavesa o nastanku života na Zemlji bio je koncept poznat kao „RNA svet“, rekao je Ranjan, misleći na ribonukleinsku kiselinu, klasu molekula koja je prisutna u svakoj živoj ćeliji i koja je ključna na život kakav poznajemo.
Hipoteza RNK sveta zasniva se na zanimljivoj osobini moderne biologije, a to je da od četiri glavne kategorije biomolekula – aminokiselina, ugljenih hidrata, lipida i nukleinskih kiselina – RNK jedina može da obavlja ulogu enzima i skladištenje i umnožavanje genetskih informacija, praveći kopije same sebe. Postoji samo jedan problem: zaista je teško napraviti.
„Oko 50 godina ljudi su pokušavali da shvate kako da naprave RNK bez enzima, što je način na koji biologija to radi“, rekao je Ranjan, objašnjavajući da su istraživači tek u poslednjih pet godina otkrili neenzimske puteve do prave RNK.
„Ako možemo da dobijemo RNK, onda na dalekom horizontu vidimo put da pokrenemo sve ostalo“, rekao je on. „I ovo postavlja pitanje: da li je ovaj molekul bio ranije dostupan u bilo kojoj količini? I ovo je zapravo glavno otvoreno pitanje.“
Nedavno su naučnici završili poluvekovnu potragu za stvaranjem RNK molekula bez bioloških enzima, što je ogroman korak napred ka demonstriranju sveta RNK. Međutim, svi ovi hemijski putevi se oslanjaju na kritični molekul sumpora, nazvan sulfit.
Proučavajući uzorke stena iz nekih od najstarijih stena na Zemlji, naučnici znaju da je na ranoj, prebiotskoj Zemlji bilo dosta sumpora. Ali koliko je toga bilo u atmosferi? Koliko je toga završilo u vodi? I koliko je od toga završilo kao sulfit koji proizvodi RNK? To su pitanja na koja su Ranjan i njegov tim želeli da odgovore.
„Kada je u vodi, šta se dešava sa njim? Da li se dugo zadržava ili brzo nestaje?“ rekao je. „Za modernu Zemlju znamo odgovor – sulfit voli da oksidira ili reaguje sa kiseonikom, tako da će nestati super-brzo.“
Nasuprot tome, kao što pokazuju geološki dokazi, bilo je vrlo malo kiseonika u ranoj Zemljinoj atmosferi, što je moglo dozvoliti sulfitu da se akumulira i traje mnogo duže. Međutim, čak i u nedostatku kiseonika, sulfit je veoma reaktivan i mnoge reakcije su ga mogle ukloniti iz ranog okruženja Zemlje.
Jedna takva reakcija je poznata kao disproporcionisanje, proces kojim nekoliko sulfita reaguje jedan sa drugim, pretvarajući ih u sulfat i elementarni sumpor, koji nisu korisni za hemiju porekla života. Ali koliko je brz ovaj proces? Da li bi to omogućilo da se akumuliraju dovoljne količine sulfita za početak života?
„Niko zapravo nije istražio ovo dublje van drugih konteksta, uglavnom upravljanja otpadnim vodama“, rekao je Ranjan.
Njegov tim je potom krenuo da istražuje ovaj problem pod različitim uslovima, napor koji je trajao pet godina od dizajniranja eksperimenata do objavljivanja rezultata.
„Od svih atoma koji čine prebiotičko brodogradilište, uključujući ugljenik, vodonik, azot, kiseonik, fosfor i sumpor, sumpor je možda najtrnovitiji“, napisao je Soni Harman iz NASA-inog istraživačkog centra Ejms, u članku sa stanovišta koji prati publikaciju. Zbog svoje želje da uđe u hemijske reakcije, „sumporna jedinjenja imaju tendenciju da budu nestabilnija, predstavljaju opasnost za laboratorijsko osoblje i opremu, začepljuju instrumente i zagušuju eksperimente“.
U svojoj postavci, Ranjan i njegovi koautori su rastvorili sulfit u vodi na različitim nivoima kiselosti ili alkalnosti, zaključali ga u posudu u atmosferi bez kiseonika i pustili da „stari“, kako je to rekao Ranjan. Svake nedelje, tim je merio koncentracije različitih sulfita ultraljubičastim svetlom. Na kraju eksperimenta, podvrgli su ih skupu analiza, sve usmerenih ka odgovoru na relativno jednostavno pitanje, rekao je: „Koliko je od ovog originalnog molekula ostalo i u šta se on pretvorio?“
Ispostavilo se da su sulfiti nesrazmerno mnogo sporiji od onoga što se smatralo konvencionalnom mudrošću. Ranije studije, na primer, iznele su ideju o sumpornoj izmaglici koja proguta ranu Zemlju, ali Ranjanov tim je otkrio da se sulfiti pod ultraljubičastim svetlom razlažu brže nego što se očekivalo. U odsustvu ozonskog omotača tokom ranih dana Zemlje, ovaj proces, poznat kao fotoliza, bi brzo izbacio jedinjenja sumpora iz atmosfere i vode, iako ne tako efikasno kao kiseonik u izobilju u današnjem svetu.
Iako je verovatno da je spora disproporcija mogla da omogući akumulaciju sulfita, fotoliza bi to učinila malo verovatnim osim u određenim okruženjima kao što su bazeni s plitkim vodama, zasjenjeni od UV zračenja, posebno ako se napajaju površinskim oticanjem kako bi se obezbijedili mineralni štitovi. Primeri uključuju podzemne bazene ili karbonatna jezera zatvorenog basena, depresije bez drenaže gde se sedimenti akumuliraju, ali voda može da izađe samo isparavanjem.
„Pomislite na vodene površine poput Velikog slanog jezera u Juti ili jezera Mono u Kaliforniji“, rekao je Ranjan, dodajući da se hidrotermalna okruženja pojavljuju kao vrući kandidati za prvo pojavljivanje u životu. Ovde, podzemna voda koja nosi rastvorene minerale dolazi u kontakt sa toplotom od vulkanske aktivnosti, stvarajući jedinstveno mikro-okruženje koje nudi „sigurne prostore“ za hemijske procese koji se ne mogu desiti drugde.
Takva mesta se mogu naći na srednjookeanskim grebenima u dubokom moru, ali i na kopnu, rekao je Ranjan.
„Savremeni primer ovoga je Nacionalni park Jelouston, gde nalazimo bazene koji akumuliraju mnogo sulfita, uprkos kiseoniku“, rekao je, „a to se može desiti samo zato što se sulfit neprestano obnavlja vulkanskim izbacivanjem gasa“.
Studija pruža mogućnosti da se eksperimentalno testira hipoteza o dostupnosti sulfita u evoluciji prvih molekula života, ističu autori. Ranjan je rekao da ga je posebno oduševilo jedno polje istraživanja — filogenetska mikrobiologija, koja koristi analizu genoma da rekonstruiše nacrte mikroorganizama koji koriste sumpor za koje se veruje da predstavljaju najstariji tip na Zemlji.
Postoje dokazi da ove bakterije dobijaju energiju redukovanjem visoko oksidovanih oblika sumpora u manje oksidisane. Intrigantno, istakao je Ranjan, oni zavise od prilično složene enzimske mašinerije za prvi korak, redukujući sulfat, „moderni“ oblik sumpora u izobilju, u sulfit, što sugeriše da su ovi enzimi proizvod dugog evolucionog procesa. Nasuprot tome, samo jedan enzim je uključen u konverziju iz sulfita — predloženog ključnog sastojka u „okruženjima prebiotičkih lokvi“ — u sulfid.
„Ako je tačno, to implicira da je sulfit bio prisutan u prirodnom okruženju u barem nekim vodnim tijelima, slično onome što mi ovdje tvrdimo“, rekao je on. „Geolozi se upravo sada okreću ovome. Možemo li da koristimo drevne stene da testiramo da li su bogate sulfitima? Još ne znamo odgovor. Ovo je još uvek najsavremenija nauka.“
