Τις πρώτες πρωτόγονες εποχές μετά το σχηματισμό της Γης πριν από 4,6-4,7 δισεκατομμύρια χρόνια δεν υπήρχαν οργανικές ενώσεις, λόγω της ευαισθησίας τους στις υψηλές θερμοκρασίες και φυσικά κανένα ίχνος βιολογικών συστημάτων. Σήμερα οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι ζωντανοί οργανισμοί, έστω κα με τη μορφή βακτηρίων και πρωτόγονων μικροοργανισμών, αναπτύχθηκαν αργότερα, τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο χρόνια αφ' ότου σχηματίσθηκε η Γη και δημιουργήθηκαν οι κατάλληλες κλιματολογικές συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές ευνόησαν τις οργανικές αντιδράσεις και συνθέσεις από απλά ανόργανα συστατικά και τη συσσώρευση οργανικών ουσιών σε πυκνά διαλύματα στους πρωτόγονους ωκεανούς και υδάτινα συστήματα στην επιφάνεια του πλανήτη Γη.
Αυτά όμως είναι αποτέλεσμα πολυετών ερευνών και ανακαλύψεων τις τελευταίες δεκαετίες. Ενδιαφέρον έχει να εξετασθεί η πορεία της ανθρώπινης σκέψης για το πώς προέκυψε η ζωή στον πλανήτη μας και τον τρόπο που διαμορφώθηκαν οι απόψεις για την προέλευση της ζωής, από τους απλούς μικροοργανισμούς μέχρι τα θηλαστικά και τον άνθρωπο.
Η προέλευση της ζωής από την ανόργανη ύλη, χωρίς καμία θεϊκή ή άλλη υπερφυσική παρέμβαση έχει αποδειχτεί τόσο από τα ευρήματα της παλαιοντολογίας που οδηγούν πηγαίνοντας πίσω στο χρόνο σε όλο και απλούστερες μορφές ζωής, όσο και από πειράματα όπως το περίφημο πείραμα Miller - Urey, κατά το οποίο σε ένα περιβάλλον με χημική σύνθεση παρόμοια με της αρχέγονης γης, μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα παράχθηκαν απλές οργανικές ουσίες, μέχρι και αμινοξέα, μόνο με την επίδραση ηλεκτρικών εκκενώσεων (ανάλογων με τους κεραυνούς). Αργότερα, αμινοξέα βρέθηκαν ακόμα και σε μετεωρίτες.
Από τη δεκαετία του 1920 οι επιστήμονες διαμόρφωναν διάφορες ιδέες για τη σύνθεση οργανικών ουσιών κάτω από αβιογενείς συνθήκες. Οι αποδείξεις προέρχονταν από τις παρατηρήσεις για τη σύσταση της ατμόσφαιρας άλλων πλανητών και τις υποθέσεις που πρότειναν για τις συνθήκες που επικρατούσαν στην επιφάνεια της Γης στις αρχέγονες εποχές. Επίσης, υπήρχαν αρκετές ενδείξεις για τις ανόργανες χημικές ουσίες που πιθανόν υπήρχαν σε αφθονία την εποχή εκείνη.
Το 1952 οι σκέψεις ορισμένων επιστημόνων είχαν ωριμάσει. Ο Harold Urey (1893-1981, Καθηγητής, Πανεπιστήμιο του Σικάγου, Βραβείο Νόμπελ Χημείας 1934 για την ανακάλυψη του βαρέως ύδατος) πρότεινε στον πτυχιούχο μαθητή του Stanley L. Miller (μόλις είχε ξεκινήσει τη διδακτορική του διατριβή) να τοποθετήσει τα αέρια αμμωνία (NH3), μεθάνιο (CH4), υδρογόνο (H2) και ατμούς νερού (H2O) σε μία κλειστή φιάλη και να τα βομβαρδίσει με ηλεκτρικούς σπινθήρες. Το νερό εξατμίζονταν με βρασμό και συμπυκνώνονταν με ψυκτήρα. Τα προϊόντα της σύνθεσης συγκεντρώνονταν σε υάλινο υποδοχέα στο κατώτερο μέρος της συσκευής. Το σύστημα αυτό αποτέλεσε το περίφημο πείραμα Miller-Urey.
Ο Urey που είχε κάνει έρευνες για τη σύσταση της πρωτόγονη ατμόσφαιρας των πλανητών, θεωρούσε ότι αυτά τα αέρια πρέπει να βρίσκονταν σε σχετική αφθονία στην πρωτόγονη ατμόσφαιρα της Γης. Οι ηλεκτρικοί σπινθήρες αντιπροσώπευαν τις καταιγίδες που πιθανόν σάρωναν τις εποχές εκείνες τον ουρανό και παρείχαν την απαιτούμενη ενέργεια για τις αντιδράσεις. Ο Urey θεωρούσε ότι η ατμόσφαιρα ήταν γεμάτη με αναγωγικά αέρια και με απουσία οξυγόνου (Ο2).
Μετά από μία εβδομάδα το πείραμα έδειξε ότι είχαν σχηματισθεί σημαντικές ποσότητες αμινοξέων, οξέων και άλλες οργανικές ενώσεις. Τα αμινοξέα ήταν γλυκίνη, αλανίνη, ασπαρτικό και γλουταμινικό οξύ και σαρκοσίνη. Επίσης, βρέθηκαν τα οργανικά οξέα μυρμηγκικό, οξικό, λακτικό, αδιπικό οξύ και μικρές ποσότητες ουρίας.
Μετά τον θάνατο του Miller (Μάιος 2007) οι συνεργάτες του Jeffrey Bada και Antonio Lazcano βρήκαν υπολείμματα των δειγμάτων των πρώτων προβιοτικών πειραμάτων. Με πιο εξελιγμένη χρωματογραφική ανάλυση και φασματομετρία μάζας (HPLC-MS) βρέθηκαν ότι σε ορισμένα πειράματα, όπου χρησιμοποιήθηκαν έντονες συνθήκες ηλεκτρικών σπινθήρων και απομίμηση ηφαιστειακών εκπομπών, είχαν σχηματισθεί όχι απλώς 5 αμινοξέα, αλλά 14 αμινοξέα και 5 αμίνες, ενώ σε μερικά δείγματα βρέθηκαν 22 αμινοξέα και αμίνες (Ritter SK. Origin-of-life chemistry revisited. Reanalysis of famous spark-discharge experiments reveal a richer collection of amino acids were formed. Chemical Engineering News 16.10.2008, p.12, και στο περιοδικό Science 322:404, 2008).
Το αρχικό πείραμα Miller-Urey που δημοσιεύθηκε το 1953 (Science 117:528-531,1953) ήταν βασικά ιδέα του νεαρού Miller, αν και με την καθοδήγηση από τον καθηγητή του Urey και με θεωρητικές υποθέσεις των πρωτόγονων συνθηκών που επικρατούσαν στους πλανήτες όπως η Γη. Η δημοσίευση αποτέλεσε διεθνή «είδηση» και αντικείμενο μεγάλης συζήτησης στους κύκλους της επιστημονικής κοινότητας. Αν και προτάθηκαν στην επιτροπή των βραβείων Νόμπελ, τελικά δεν τους απονεμήθηκε, αλλά η ανακάλυψή τους θεωρείται ακόμη και σήμερα εξαιρετικά σημαντική, όπως και η ανακάλυψη του διπλού έλικα του DNA (1953, Crick, Watson, Wilkins και Franklin). Το πείραμα από ιστορική άποψη θεωρείται ότι άλλαξε ριζικά την αντίληψη για τον τομέα της προβιοτικής χημείας και ίδρυσε ολόκληρη «σχολή» επιστημονικής έρευνας.
Το πείραμα αποτέλεσε την πρώτη πειραματική απόδειξη για οργανικές συνθέσεις κάτω από πρωτόγονες προβιοτικές συνθήκες που οδηγεί στην παραγωγή χρήσιμων βιοχημικών ουσιών για βιολογικούς οργανισμούς, αν και αποδείχθηκε ότι οι αναγωγικές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν και οι πρώτες ύλες-αέρια δεν ήταν ακριβώς αυτές που επικρατούσαν τις προβιοτικες εποχές εκείνες στην ατμόσφαιρα της Γης.
Όπως καταδεικνύεται από το πείραμα του Miller - Urey, οι επιδράσεις που ασκούνται από τους πλανήτες είτε με τη μορφή της ακτινοβολίας είτε με τη μορφή της βαρύτητας διαδραματίζουν ένα δομικό ρόλο στην ανόργανο ύλη. Η ακτινοβολία δρα είτε ως φως είτε ως θερμότητα και προκαλεί την εναλλαγή της ενέργειας από τον ένα αστέρα στον άλλο, και επομένως επί όλων των οργανικών ή ανοργάνων στοιχείων επ' αυτών, ενώ η βαρύτητα εξασφαλίζει την ευστάθεια του κόσμου δια της εναρμονίου περιστροφής των σφαιρών. Αυτές οι δραστικές δυνάμεις ενήργησαν και ενεργούν βεβαίως επί της ανοργάνου ύλης και διαμορφώνουν ποικίλα αποτελέσματα, ένα δε από αυτά είναι, όπως αποδείχθηκε επιστημονικά, και η εμφάνιση των πρώτων οργανικών στοιχείων.
Βέβαια, οι λεπτομέρειες της διαδικασίας μετάβασης από τον ανόργανο στον πολύπλοκο οργανικό ζωντανό κόσμο δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμα. Ανεξάρτητα αν βρεθεί το ακριβές μονοπάτι που οδήγησε στη συγκεκριμένη μορφή ζωής στη Γη, η ανακάλυψη κάποιων φυσικοχημικών διεργασιών που από ανόργανα υλικά οδηγούν σε μια πρωτόλεια μορφή ζωής, θα βάλει οριστικό τέλος σε οποιαδήποτε αμφισβήτηση. Επιπλέον, ανάλογα με την πιθανότητα εμφάνισης αυτών των διεργασιών σε έναν πλανήτη όπως η Γη, θα μπορέσει να προσδιοριστεί αν η ζωή είναι ένα σπάνιο φαινόμενο, ή κάτι τόσο φυσικό όσο οι βράχοι και το νερό σε ουράνια σώματα με αυτά τα χαρακτηριστικά.
Comments
Nickos
Thu, 05/11/2015 - 19:15
Permalink
Η πλανητική επίδραση στην ανόργανο ύλη
Click για περισσότερα
Τις πρώτες πρωτόγονες εποχές μετά το σχηματισμό της Γης πριν από 4,6-4,7 δισεκατομμύρια χρόνια δεν υπήρχαν οργανικές ενώσεις, λόγω της ευαισθησίας τους στις υψηλές θερμοκρασίες και φυσικά κανένα ίχνος βιολογικών συστημάτων. Σήμερα οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι ζωντανοί οργανισμοί, έστω κα με τη μορφή βακτηρίων και πρωτόγονων μικροοργανισμών, αναπτύχθηκαν αργότερα, τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο χρόνια αφ' ότου σχηματίσθηκε η Γη και δημιουργήθηκαν οι κατάλληλες κλιματολογικές συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές ευνόησαν τις οργανικές αντιδράσεις και συνθέσεις από απλά ανόργανα συστατικά και τη συσσώρευση οργανικών ουσιών σε πυκνά διαλύματα στους πρωτόγονους ωκεανούς και υδάτινα συστήματα στην επιφάνεια του πλανήτη Γη.
Αυτά όμως είναι αποτέλεσμα πολυετών ερευνών και ανακαλύψεων τις τελευταίες δεκαετίες. Ενδιαφέρον έχει να εξετασθεί η πορεία της ανθρώπινης σκέψης για το πώς προέκυψε η ζωή στον πλανήτη μας και τον τρόπο που διαμορφώθηκαν οι απόψεις για την προέλευση της ζωής, από τους απλούς μικροοργανισμούς μέχρι τα θηλαστικά και τον άνθρωπο.
Η προέλευση της ζωής από την ανόργανη ύλη, χωρίς καμία θεϊκή ή άλλη υπερφυσική παρέμβαση έχει αποδειχτεί τόσο από τα ευρήματα της παλαιοντολογίας που οδηγούν πηγαίνοντας πίσω στο χρόνο σε όλο και απλούστερες μορφές ζωής, όσο και από πειράματα όπως το περίφημο πείραμα Miller - Urey, κατά το οποίο σε ένα περιβάλλον με χημική σύνθεση παρόμοια με της αρχέγονης γης, μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα παράχθηκαν απλές οργανικές ουσίες, μέχρι και αμινοξέα, μόνο με την επίδραση ηλεκτρικών εκκενώσεων (ανάλογων με τους κεραυνούς). Αργότερα, αμινοξέα βρέθηκαν ακόμα και σε μετεωρίτες.
Από τη δεκαετία του 1920 οι επιστήμονες διαμόρφωναν διάφορες ιδέες για τη σύνθεση οργανικών ουσιών κάτω από αβιογενείς συνθήκες. Οι αποδείξεις προέρχονταν από τις παρατηρήσεις για τη σύσταση της ατμόσφαιρας άλλων πλανητών και τις υποθέσεις που πρότειναν για τις συνθήκες που επικρατούσαν στην επιφάνεια της Γης στις αρχέγονες εποχές. Επίσης, υπήρχαν αρκετές ενδείξεις για τις ανόργανες χημικές ουσίες που πιθανόν υπήρχαν σε αφθονία την εποχή εκείνη.
Το 1952 οι σκέψεις ορισμένων επιστημόνων είχαν ωριμάσει. Ο Harold Urey (1893-1981, Καθηγητής, Πανεπιστήμιο του Σικάγου, Βραβείο Νόμπελ Χημείας 1934 για την ανακάλυψη του βαρέως ύδατος) πρότεινε στον πτυχιούχο μαθητή του Stanley L. Miller (μόλις είχε ξεκινήσει τη διδακτορική του διατριβή) να τοποθετήσει τα αέρια αμμωνία (NH3), μεθάνιο (CH4), υδρογόνο (H2) και ατμούς νερού (H2O) σε μία κλειστή φιάλη και να τα βομβαρδίσει με ηλεκτρικούς σπινθήρες. Το νερό εξατμίζονταν με βρασμό και συμπυκνώνονταν με ψυκτήρα. Τα προϊόντα της σύνθεσης συγκεντρώνονταν σε υάλινο υποδοχέα στο κατώτερο μέρος της συσκευής. Το σύστημα αυτό αποτέλεσε το περίφημο πείραμα Miller-Urey.
Ο Urey που είχε κάνει έρευνες για τη σύσταση της πρωτόγονη ατμόσφαιρας των πλανητών, θεωρούσε ότι αυτά τα αέρια πρέπει να βρίσκονταν σε σχετική αφθονία στην πρωτόγονη ατμόσφαιρα της Γης. Οι ηλεκτρικοί σπινθήρες αντιπροσώπευαν τις καταιγίδες που πιθανόν σάρωναν τις εποχές εκείνες τον ουρανό και παρείχαν την απαιτούμενη ενέργεια για τις αντιδράσεις. Ο Urey θεωρούσε ότι η ατμόσφαιρα ήταν γεμάτη με αναγωγικά αέρια και με απουσία οξυγόνου (Ο2).
Μετά από μία εβδομάδα το πείραμα έδειξε ότι είχαν σχηματισθεί σημαντικές ποσότητες αμινοξέων, οξέων και άλλες οργανικές ενώσεις. Τα αμινοξέα ήταν γλυκίνη, αλανίνη, ασπαρτικό και γλουταμινικό οξύ και σαρκοσίνη. Επίσης, βρέθηκαν τα οργανικά οξέα μυρμηγκικό, οξικό, λακτικό, αδιπικό οξύ και μικρές ποσότητες ουρίας.
Μετά τον θάνατο του Miller (Μάιος 2007) οι συνεργάτες του Jeffrey Bada και Antonio Lazcano βρήκαν υπολείμματα των δειγμάτων των πρώτων προβιοτικών πειραμάτων. Με πιο εξελιγμένη χρωματογραφική ανάλυση και φασματομετρία μάζας (HPLC-MS) βρέθηκαν ότι σε ορισμένα πειράματα, όπου χρησιμοποιήθηκαν έντονες συνθήκες ηλεκτρικών σπινθήρων και απομίμηση ηφαιστειακών εκπομπών, είχαν σχηματισθεί όχι απλώς 5 αμινοξέα, αλλά 14 αμινοξέα και 5 αμίνες, ενώ σε μερικά δείγματα βρέθηκαν 22 αμινοξέα και αμίνες (Ritter SK. Origin-of-life chemistry revisited. Reanalysis of famous spark-discharge experiments reveal a richer collection of amino acids were formed. Chemical Engineering News 16.10.2008, p.12, και στο περιοδικό Science 322:404, 2008).
Το αρχικό πείραμα Miller-Urey που δημοσιεύθηκε το 1953 (Science 117:528-531,1953) ήταν βασικά ιδέα του νεαρού Miller, αν και με την καθοδήγηση από τον καθηγητή του Urey και με θεωρητικές υποθέσεις των πρωτόγονων συνθηκών που επικρατούσαν στους πλανήτες όπως η Γη. Η δημοσίευση αποτέλεσε διεθνή «είδηση» και αντικείμενο μεγάλης συζήτησης στους κύκλους της επιστημονικής κοινότητας. Αν και προτάθηκαν στην επιτροπή των βραβείων Νόμπελ, τελικά δεν τους απονεμήθηκε, αλλά η ανακάλυψή τους θεωρείται ακόμη και σήμερα εξαιρετικά σημαντική, όπως και η ανακάλυψη του διπλού έλικα του DNA (1953, Crick, Watson, Wilkins και Franklin). Το πείραμα από ιστορική άποψη θεωρείται ότι άλλαξε ριζικά την αντίληψη για τον τομέα της προβιοτικής χημείας και ίδρυσε ολόκληρη «σχολή» επιστημονικής έρευνας.
Το πείραμα αποτέλεσε την πρώτη πειραματική απόδειξη για οργανικές συνθέσεις κάτω από πρωτόγονες προβιοτικές συνθήκες που οδηγεί στην παραγωγή χρήσιμων βιοχημικών ουσιών για βιολογικούς οργανισμούς, αν και αποδείχθηκε ότι οι αναγωγικές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν και οι πρώτες ύλες-αέρια δεν ήταν ακριβώς αυτές που επικρατούσαν τις προβιοτικες εποχές εκείνες στην ατμόσφαιρα της Γης.
Όπως καταδεικνύεται από το πείραμα του Miller - Urey, οι επιδράσεις που ασκούνται από τους πλανήτες είτε με τη μορφή της ακτινοβολίας είτε με τη μορφή της βαρύτητας διαδραματίζουν ένα δομικό ρόλο στην ανόργανο ύλη. Η ακτινοβολία δρα είτε ως φως είτε ως θερμότητα και προκαλεί την εναλλαγή της ενέργειας από τον ένα αστέρα στον άλλο, και επομένως επί όλων των οργανικών ή ανοργάνων στοιχείων επ' αυτών, ενώ η βαρύτητα εξασφαλίζει την ευστάθεια του κόσμου δια της εναρμονίου περιστροφής των σφαιρών. Αυτές οι δραστικές δυνάμεις ενήργησαν και ενεργούν βεβαίως επί της ανοργάνου ύλης και διαμορφώνουν ποικίλα αποτελέσματα, ένα δε από αυτά είναι, όπως αποδείχθηκε επιστημονικά, και η εμφάνιση των πρώτων οργανικών στοιχείων.
Βέβαια, οι λεπτομέρειες της διαδικασίας μετάβασης από τον ανόργανο στον πολύπλοκο οργανικό ζωντανό κόσμο δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμα. Ανεξάρτητα αν βρεθεί το ακριβές μονοπάτι που οδήγησε στη συγκεκριμένη μορφή ζωής στη Γη, η ανακάλυψη κάποιων φυσικοχημικών διεργασιών που από ανόργανα υλικά οδηγούν σε μια πρωτόλεια μορφή ζωής, θα βάλει οριστικό τέλος σε οποιαδήποτε αμφισβήτηση. Επιπλέον, ανάλογα με την πιθανότητα εμφάνισης αυτών των διεργασιών σε έναν πλανήτη όπως η Γη, θα μπορέσει να προσδιοριστεί αν η ζωή είναι ένα σπάνιο φαινόμενο, ή κάτι τόσο φυσικό όσο οι βράχοι και το νερό σε ουράνια σώματα με αυτά τα χαρακτηριστικά.