Znanstvenici su čudna bića čiji se životni ciklus većinom sastoji od postavljanja nekoliko kratkih pitanja, među kojima prednjače „kako?“, „što“ i „zašto?“, te pokušaja davanja argumentiranih i na činjenicama utemeljenih odgovora na njih.

Recimo, znanstvenici čuju onu prastaru osnovnoškolsku dosjetku: „Što je starije – kokoš ili jaje?“, pa je shvate znanstvenički ozbiljno i krenu je razlagati na proste faktore i analizirati sve detaljnije i sve dublje, daleko dublje od svima znane činjenice da su jaja starija jer su se iz njih i prije evolucijske pojave kokoši izlijegale praptice, vodozemci, gmazovi, dinosaurus… vrteći evolucijski film još više unazad, sve do najjednostavnijih životinjskih vrsta i najpriprostijih načina razmnožavanja, sveudilj se pitajući jedno te isto: „Zaista… što je starije? Dinosaurusi ili jaja? Gljive ili paprati? Amebe ili alge…?“

Bogovi, alieni, meteori i juhe

Tako poniruća spirala analitičke spoznaje naposljetku je neminovno zaronila sve do onog završnog, najdubljeg, temeljnog pitanja-svih-pitanja: „Što je bilo 'ono nešto' što se može smatrati prvim živim bićem na do tada pustoj i beživotnoj svemirskoj kugli, ono što se prvo smućkalo iz kombinacije primitivnih molekulskih sastojaka i počelo se migoljiti, razmnožavati i stvarati vlastite kopije? Kako i kada se to uopće dogodilo?“. Uostalom, nastanak prvog života na Zemlji jedno je od najvažnijih i najintrigantnijih pitanja u čitavoj znanosti.

Prije svega valja naglasiti da još uvijek ne postoji siguran i nedvojben odgovor na pitanje „kako?“, premda ipak postoje jasne indicije i činjenice koje ukazuju na najvjerojatnije mehanizme nastanka prvog ovozemaljskog života. Ako – za potrebe ovoga teksta – za sada isključimo teoriju panspermije (koja niti ne kaže kako je nastao život, već pretpostavlja da nije nastao na Zemlji, nego su jednostavni oblici života preživjeli ekstremne uvjete putovanja na svemirskim tijelima i dospjeli ovdje putem meteora ili kometa), preostaju nam teorije kreacije (tj. teorije božje ili alienske kreativne intervencije… koje ćemo također za potrebe ovog teksta - a i inače - isključiti iz daljnjeg znanstvenog razmatranja), i naposljetku teorija primordijalne juhe.

Prema toj teoriji, čiji začetnici su još 1920-ih bili Oparin i Haldane, a eksperimentalnim radovima ju 30 godina potom i potvrdili Miller i Urey, atmosfera Zemlje je u vremenima začetka života bila za današnje pojmove ekstremno toksična mješavina molekula metana, amonijaka, vodika i vodene pare izloženih ultraljubičastom zračenju Sunca i električnim pražnjenjima munja. Ti su uvjeti omogućili uzajamno kombiniranje i sintezu jednostavnih organskih molekula poput aminokiselina, koje su se zatim nakupljale u toplim slanim vodama praoceana, stvarajući tzv. primordijalnu juhu, smjesu organskih molekula iz čijih su daljnjih uzajamnih odnosa i reakcija kombinirale složenije biomolekularne strukture, čime su stvoreni biokemijski preduvjeti za dijeljenje, razmnožavanje, rast i evoluiranje – dakle, za život.

Definiranje života

Znamo da je Zemlja bila sasvim drugačije mjesto kada je još bila mlad planet i u geološkom smislu se tek formirala, s atmosferom koju bismo danas smatrali izuzetno otrovnom. U količinama koje su potrebne sadašnjem, većinski aerobnom životu na Zemlji, kisik se pojavio relativno kasno u evolucijskoj povijesti planeta, tek prije otprilike 3 milijarde godina.

Pa ipak, život je postojao još i prije nastanka visokih koncentracija kisika u atmosferi: pronađeni su fosili mikroorganizama stari preko 3,4 milijarde godina, a znanstvenici pretpostavljaju (i tragaju za dokazima) da su uvjeti na Zemlji još prije više od 4,3 milijarde godina možda bili dovoljno stabilni da omoguće prvi život i podrže njegov daljnji opstanak i razvoj. Zemlja je, za usporedbu, stara oko 4,5 milijardi godina. To bi značilo da su se uvjeti za nastanak života prvi put pojavili kada je naš planet praktički još bio novorođenče Sunčevog sustava.

Ako ste pomislili kako je za znanstvenike dilema jaje/kokoš riješena zaključkom „nisu starija ni jaja, ni kokoši, nego prvi živi organizmi“, prevarili ste se! Znanstvenicima je funkcija daleko zanimljivija od forme, intrigantnije im je pitanje koji su se biokemijski procesi odvijali unutar tih primarnih molekularnih nakupina života, koje su bile prve i osnovne reakcije koje su karakterizirale život na Zemlji, nego kako su ti primordijalni oblici života izgledali u fizičkom smislu.

Istini za volju, naš je planet podložan erozijskim, geološkim i organskim procesima zbog kojih je gotovo nemoguće pronaći dokaze života iz tog vremena. Fosili mikroorganizama stari milijardama godina prikazuju njihovu formu, no vanjski izgled ne može razjasniti biološku funkciju tih primitivnih molekularnih nakupina života; za takvo što je potrebno imati više podataka od šturog fosilnog otiska.

Mutacije u ritmu molekularnog sata

U jednom od zanimljivijih i intrigantnijih istraživanja na tu temu, pod vodstvom filogenetičara Edmunda Moodyja, u nedavno objavljenoj studiji u časopisu Nature Ecology & Evolution ekipa znanstvenika sa Sveučilišta u Bristolu je potražila odgovore u genetici, uspoređujući genome današnjih živih organizama s raspoloživim fosilnim zapisima o praoblicima života.

Njihova se studija temelji na specijalnoj genetičkoj tehnici izračunavanja učestalosti mutacija, nazvanoj molekularni sat. Molekularni satovi – nešto kao „atomski sat“ u fizici pomoću kojega definiramo precizne ultrakratke vremenske intervale – služe za mjerenje vremenskih intervala koji su vrlo dugački, reda veličine milijuna godina.

Molekularni sat se temelji na činjenici da se trajne, fiksne mutacije molekule DNK događaju u pravilnim vremenskim intervalima. Naime, kada se u DNK neke jedinke u životinjskoj vrsti dogodi mutacija koja za posljedicu ima značajnu promjenu u ključnim proteinima ili biokemijskim procesima, ta mutacija može biti nekvalitetna i fatalna (pa takva mutirana jedinka ugine i ne prenosi svoju mutaciju na iduće generacije) ili može biti kvalitetna pa unaprijediti neko svojstvo jedinke čineći ju evolucijski boljom od svojih roditelja. Takva mutacija nije fatalna, te se može prenijeti u iduće generacije i dovesti do značajne evolucijske promjene: tako unutar istoga roda nastaje nova životinjska vrsta ili podvrsta. Na taj način se od zajedničkog pretka kroz vrijeme odvajaju nove grane evolucijskog stabla sa sve naprednijim oblicima života.

Evolucijski biolozi su u zadnjih četrdeset godina proučavanjem fosilnih ostataka DNK izumrlih mikroorganizama i životinja opazili zanimljivu činjenicu da se neke mutacije (i posljedične evolucijske promjene) događaju određenim ritmom, pouzdano kao sat: na primjer, na DNK se nalazi gen sastavljen od 850 parova baza koji kodira sintezu proteina zvanog alfa-globin (sastavni dio hemoglobina), a koji doživljava mutacije konstantnom brzinom od 0,56 promjena po paru baza na svakih milijardu godina. Znate što su parovi baza u molekuli DNK: adenozin-gvanin i citozin-timin, šifre A-T-G-C poredane u beskonačnom nizu i „zavrnute“ u dvostruku DNK-zavojnicu.

Kada se dio DNK ponaša poput molekularnog sata, on postaje moćan alat za procjenu datuma događaja razdvajanja vrste ili podvrste. S obzirom da gen alfa-globina ima 850 parova baza koje mutiraju brzinom od 0,56 promjena na milijardu godina, to znači da bi se u milijardu godina na 850 parova baza tog gena dogodilo ukupno 476 promjena. Iz toga proizlazi izračun kako za 4 promjene trebalo 119 puta manje vremena, tj. oko 8.400.000 godina. Budući da je svaka novonastala vrsta prolazila vlastitu paralelnu evoluciju (svaka po dvije mutacije), te su dvije vrste morale potjecati od zajedničkog pretka koji je živio prije oko 4,2 milijuna godina.

Razdvajanje vrsta i rodova uz očuvanje zajedničke biokemije

Prikažimo to na jednostavnijem primjeru jednog simplificiranog, zamišljenog gena. Ako taj zamišljeni gen (na slici sasvim lijevo) ima 9 baza koje mutiraju brzinom od 0,5 promjena baze na svakih 12,5 milijuna godina, to znači da bi se svakih 25 milijuna godina na tih 9 baza dogodila jedna mutacija. Budući da je svaka novonastala vrsta nakon prve mutacije dalje prolazila vlastitu paralelnu evoluciju, dvije današnje vrste koje se uzajamno razlikuju u 4 DNK baze potječu od zajedničkog pretka koji je živio prije oko 50 milijuna godina.

Molekularni sat nam dakle daje mogućnost na temelju dva podatka - brzine kojom se mutacije događaju i ukupnog broja mutacija - možemo odredili koliko je vremena prošlo otkako su se pojedine životinjske vrste i rodovi odvojili od svojih zajedničkih predaka.

Ali – kako bi rekli na reklamama za TV-prodaju – to nije sve! Svi organizmi, od najskromnijeg mikroba do najsloženije gljive, drveta ili čovjeka, dijele neke zajedničke biološke detalje. Postoji univerzalni genetski kod za temeljne biokemijske funkcije koje definiraju živa bića. Primjerice, način na koji proizvodimo proteine ​​je isti i kod primitivnih bakterija kao i kod ljudi: postoji praktički univerzalni skup od dvadesetak aminokiselina koje su temeljni građevni elementi bilo kojeg proteina u bilo kojem živom organizmu na Zemlji. Drugi primjer je činjenica da svi živi organizmi - od amebe do slona - za izvor energije u svojim stanicama koriste adenozin trifosfat (ATP), molekulu koja nastaje unutarstaničnim biokemijskim procesima.

Vođeni tom logikom, istraživači molekularnog sata su „zavrtili film unazad“, krenuvši od današnjih živih bića i njihove stanične biokemije, uspoređujući njihovu DNK s biokemijskim procesima i genomima sve starijih životinjskih vrsta, rodova i razreda. Tako su izračunali ritam „otkucaja“ molekularnog sata za neke od glavnih biokemijskih procesa na kojima se temelji život, a time i izračunali koliko vremena je proteklo od trenutka kada je u davnoj prošlosti došlo do prvih mutacija kojima je započet život, onih koje su dovele do sinteze prvih proteina, prvih molekula ATP-a i ostalih životno presudnih bioloških procesa.

LUCA, univerzalni zajednički predak svih živih bića

Ukratko, iz podataka o molekularnom satu ranijih evolucijski značajnih mutacija, retrospektivnom analizom su došli do podatka o tome kakve je temeljne biokemijske procese u sebi „vrtio“ prvi, najstariji živi predak svih ostalih živih bića na Zemlji.

Nazvali su ga zadnji univerzalni zajednički predak, LUCA (Last Universal Common Ancestor), a pomoću molekularnog sata su izračunali da se taj prvi organizam koji je iznjedrio sav život koji danas postoji na Zemlji pojavio prije 4,2 milijarde godina. Naša Zemlja je, ponovimo to, stara oko 4,5 milijardi godina. To znači da se život prvi put pojavio kada je naš planet još bio praktički novorođenče.

Štoviše, na temelju molekularnog sata i utvrđivanjem sličnosti i razlika u genomima najstarijih bakterijskih fosila, E. Moody i njegovi kolege utvrdili su i koliko je vremena prošlo otkako su se nasljednici LUCA-e počeli razilaziti i razgranavati u prve domene, carstva i koljena života. Prvo značajnije grananje stvorilo je tri temeljna carstva: arheje (prabakterije), bakterije i eukariote, svako sa svojim početnim zajedničkim pretkom (nazvanim LACA, LBCA i LECA).

Koristeći složeno evolucijsko modeliranje, uspjeli su naučiti više i o samoj LUCA, što je ona bila i kako je preživjela na Zemlji tako negostoljubivoj za svoje potomke: otkrili su da je LUCA bila vrlo vjerojatno slična prokariotima, jednostaničnim organizmima koji nemaju jezgru. Očito nije ovisila o kisiku, budući da je prije 4,2 milijarde godina bilo vrlo malo kisika dostupnog za stanične biokemijske procese; no, to nije neočekivano za mikroorganizme: anaerobni mikrobi žive i danas ne koristeći kisik za svoj metabolizam.

Pobratimstvo LUCA u svemiru

Ali ni ovdje nije kraj zanimljivostima! Čini se da LUCA nije bila sama: „Naša je studija pokazala da je LUCA složen organizam koji nije bio jako različit od današnjih modernih prokariota“, kaže filogenomist Davide Pisani sa Sveučilišta u Bristolu. „Ono što je zaista interesantno jest da je LUCA posjedovala primitivni imunološki sustav, što pokazuje da je čak i prije 4,2 milijarde godina naš prvi stanični predak bio uključen u utrku u naoružanju sa stranim napadačima, najvjerojatnije virusima.“

Povrh toga, pretpostavlja se da su zbog anaerobnog okoliša (atmosfere bez kisika) metabolički procesi LUCA-e koristili ugljični dioksid i molekularni vodik kako bi kao nusprodukt svojeg metabolizma proizvodili acetat. Budući da su njeni metabolički procesi proizveli otpadne proizvode koje bi mogli iskoristiti i drugi oblici života, oni su se mogli pojaviti nedugo nakon što je LUCA zaživjela na Zemlji. To implicira da je potrebno relativno malo vremena za pojavu potpunog ekosustava u evolucijskoj povijesti planeta – otkriće koje ima implikacije daleko izvan naše male blijedoplave točke.

Evolucijska biologinja Sandra Álvarez-Carretero sa Sveučilišta u Bristolu o tom otkriću piše: „Nismo očekivali da će LUCA biti tako star, da će se prvi život pojaviti unutar samo nekoliko stotina milijuna godina od formiranja Zemlje. Međutim, ovi rezultati su uvjerljivo točni i povrh toga su sasvim sukladni s modernim pogledima na nastanjivost rane Zemlje.“

„Naš rad objedinjuje multidisciplinarne podatke i metode koji se ne bi mogli objediniti samo jednom znanstvenom disciplinom, otkrivajući uvide u ranu Zemlju i život na njoj“, objašnjava paleobiolog Philip Donoghue sa Sveučilišta u Bristolu. „Sada znamo da su na ranoj Zemlji relativno brzo uspostavljeni život i prvi ekosustavi. To sugerira da bi život, pod uvjetima kakvi su slični ranim razdobljima nastanka Zemlje, mogao cvjetati i u biosferama negdje drugdje u svemiru.“

^{Igor „Doc“ Berecki je pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Pobornik teorijske i praktične primjene medicine i znanosti temeljene na dokazima, opušta se upitno ne-stresnim aktivnostima: od pisanja znanstveno-popularnih tekstova i objavljivanja ilustracija u tiskanom izdanju časopisâ BUG, crtkanja računalnih grafika i primijenjenog dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, fejsbučkog blogiranja o životnim neistinama i medicinskim istinama, sve do kuhanja upitno probavljivih craft-piva i sasvim probavljivih jela, te neprobavljivog sviranja bluesa.}