Garść kosmicznego żwiru może tłumaczyć, skąd wzięło się życie

Maleńka próbka materiału z planetoidy Ryugu wystarczyła, by mocno namieszać w dyskusji o tym, skąd naprawdę wzięło się życie na Ziemi.

Nowe badania próbek przywiezionych przez japońską sondę Hayabusa2 pokazują coś, czego naukowcy szukali od lat: pełny zestaw „chemicznych literek” niezbędnych do zbudowania DNA i RNA. To sprawia, że pytanie, czy życie wystartowało dzięki dostawie z kosmosu, brzmi już dużo poważniej niż teoria z pogranicza science fiction.

Planetoida jak kosmiczna kapsuła czasu

Ryugu to niewielka, ciemna planetoida krążąca stosunkowo blisko Ziemi. Ma około 900 metrów średnicy i kształt przypominający diament albo nieforemną bryłę żwiru z zaokrąglonymi krawędziami. Z zewnątrz wygląda niepozornie, ale dla naukowców jest jak sejf z bardzo starymi próbkami chemii sprzed narodzin naszej planety.

W 2014 roku japońska agencja kosmiczna JAXA wysłała w jej stronę sondę Hayabusa2. Statek pokonał około 300 milionów kilometrów, wylądował na powierzchni Ryugu i w 2020 roku dostarczył na Ziemię dwie próbki, po 5,4 grama każda. To naprawdę tylko odrobina kosmicznego materiału – mniej więcej tyle, ile mieści się w łyżeczce do herbaty.

Zaledwie kilka gramów żwiru z Ryugu okazało się jedną z najcenniejszych próbek w historii badań nad początkiem życia.

Te kilka gramów traktuje się jak idealną kapsułę czasu. Materiał praktycznie nie był ogrzewany ani mieszany przez miliardy lat, więc jego skład chemiczny zachował stan bardzo zbliżony do warunków z wczesnego Układu Słonecznego.

Pięć chemicznych liter życia w jednym miejscu

Żywe organizmy – od bakterii, przez rośliny, po człowieka – działają dzięki dwóm kluczowym cząsteczkom: DNA i RNA. Można je porównać do instrukcji obsługi i systemu kopiowania oraz wykonywania poleceń. Te instrukcje zapisane są w alfabecie złożonym z pięciu tzw. zasad azotowych: adeniny, cytozyny, guaniny, tyminy i uracylu.

Do tej pory naukowcy znajdowali w meteorytach i próbkach kosmicznego pyłu pojedyncze elementy tego alfabetu, zwykle jedną lub dwie z tych substancji. Tym razem zespół z Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) zarejestrował w próbkach z Ryugu komplet wszystkich pięciu.

• adenina – składnik zarówno DNA, jak i RNA
• cytozyna – obecna w obu cząsteczkach
• guanina – kolejny fundament kodu genetycznego
• tymina – charakterystyczna głównie dla DNA
• uracyl – typowy element RNA

Znalezienie pełnego zestawu „literek” DNA i RNA sugeruje, że kluczowe składniki życia tworzą się naturalnie w przestrzeni kosmicznej, a nie tylko w warunkach panujących na młodej Ziemi.

Co istotne, podobne wyniki uzyskali niedawno badacze analizujący materiał z innej planetoidy – Bennu. To mocny sygnał, że takie związki mogą być powszechne, a nie wyjątkowe.

Thymina i uracyl: sygnał, że DNA mogło zacząć się w kosmosie

Szczególne emocje wśród naukowców wywołało wykrycie tyminy, czyli składnika charakterystycznego dla DNA. Wcześniejsze analizy Ryugu pokazywały tylko obecność uracylu, związanego głównie z prostszym RNA. To dobrze pasowało do popularnej hipotezy, że na początku istniało tylko RNA, a dopiero później, już na Ziemi, pojawiło się bardziej skomplikowane DNA.

Nowe wyniki zaburzają ten prosty obraz. Skoro w lodowatych rejonach Układu Słonecznego mogły powstać zarówno elementy RNA, jak i DNA, to znaczy, że „zaawansowana” chemia toczyła się tam, zanim Ziemia stała się przyjazna życiu.

Wykrycie tyminy sugeruje, że elementy DNA mogły powstać w ciemnych zakamarkach kosmosu, a nie dopiero w oceanach młodej Ziemi.

W praktyce oznacza to, że różne planetoidy i komety mogły bombardować Ziemię gotowym „zestawem startowym” dla pierwszych organizmów. Nie trzeba już zakładać, że wszystkie te skomplikowane cząsteczki musiały powstać lokalnie, w praoceanach.

Hipoteza kosmicznej dostawy składników życia

W literaturze naukowej od lat funkcjonuje pomysł, że podstawowe elementy życia zostały przywiezione na Ziemię przez lodowe i skaliste ciała krążące po Układzie Słonecznym. Nie chodzi o to, że spadły tu gotowe bakterie czy organizmy, ale raczej cała chemiczna „skrzynka narzędziowa” do ich zbudowania.

Badacze z Japonii wskazują, że ich wyniki bardzo dobrze wspierają tę koncepcję. Miliardy lat temu Ziemia była bombardowana przez ogromną liczbę planetoid. Jeżeli choć część z nich miała skład zbliżony do Ryugu, to na powierzchnię młodej planety mogły trafić tony związków organicznych, w tym komplet zasad azotowych potrzebnych do powstania kodu genetycznego.

Możliwy scenariusz wygląda tak:

Jeśli ten obraz jest choć w części prawdziwy, to w pewnym sensie wszyscy jesteśmy potomkami kosmicznej przesyłki, nadanej miliardy lat temu w zewnętrznych rejonach naszego układu planetarnego.

Dlaczego próbki z Ryugu są tak wiarygodne

Meteoryty, które znajdujemy na Ziemi, przechodzą długą drogę: przelot przez atmosferę, silne nagrzanie, a potem kontakt z powietrzem, wodą, glebą. To może zmieniać ich skład i utrudniać odróżnienie tego, co pochodzi z kosmosu, od zanieczyszczeń powstałych już na naszej planecie.

W przypadku Ryugu jest inaczej. Sonda Hayabusa2 pobrała próbki w sterylnych warunkach, zapakowała je w hermetyczne pojemniki i dostarczyła na Ziemię w kapsule, która była otwierana pod ścisłą kontrolą. Dzięki temu naukowcy mają dużo większą pewność, że analizują pierwotny materiał, a nie mieszankę z domieszką współczesnej ziemskiej chemii.

Analizy Ryugu trwają od kilku lat. Naukowcy korzystają z najbardziej czułych technik, takich jak spektrometria mas, by wykrywać nawet śladowe ilości związków. Badanie, w którym opisano komplet pięciu zasad azotowych, opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature Astronomy, co pokazuje, że wyniki przeszły szczegółową weryfikację środowiska naukowego.

Co to znaczy dla pytania: czy jesteśmy sami

Jeżeli w Układzie Słonecznym planetoidy bogate w związki organiczne są czymś dość typowym, to podobna sytuacja może panować przy innych gwiazdach. Wtedy składniki do budowy życia nie są niczym niezwykłym, ale stają się raczej standardowym produktem ubocznym formowania się planet.

Z punktu widzenia astrobiologii taki scenariusz zwiększa szanse, że gdzieś w kosmosie powstały inne ekosystemy. Nie daje to odpowiedzi, czy istnieją tam inteligentne istoty, ale sugeruje, że sama iskra chemiczna potrzebna do narodzin prostych organizmów nie jest aż tak rzadkim zbiegiem okoliczności, jak długo sądzono.

To z kolei wzmacnia sens przyszłych misji, które będą badały lodowe księżyce Jowisza i Saturna czy atmosfery planet pozasłonecznych. Jeśli „alfabet życia” powstaje naturalnie w przestrzeni międzyplanetarnej, to ciekawe miejsca do szukania jego śladów pojawiają się nie tylko na powierzchniach planet, ale też w oceanach podlodowych lub w chmurach egzoplanet.

Co dalej z badaniami Ryugu i innych planetoid

Choć nowe wyniki już robią wrażenie, naukowcy są dopiero na początku pracy z tymi próbkami. W kolejnych latach planują szukać:

• bardziej złożonych cząsteczek organicznych, np. krótkich łańcuchów podobnych do fragmentów RNA,
• aminokwasów w specyficznych konfiguracjach, które mogą sprzyjać powstawaniu białek,
• śladów reakcji chemicznych sugerujących, że materiał przeszedł w przeszłości pewien rodzaj „przetwarzania” w wodzie lub lodzie.

Równocześnie trwają przygotowania do analizy próbek z planetoidy Bennu, dostarczonych przez amerykańską misję OSIRIS-REx. Porównanie tych dwóch kosmicznych „żwirków” pozwoli sprawdzić, czy pełen alfabet DNA i RNA jest typowy dla planetoid bogatych w węgiel, czy Ryugu należy do wyjątków.

Dla osób, które nie śledzą na co dzień literatury naukowej, warto dodać jedną rzecz: znalezienie wszystkich pięciu zasad azotowych nie oznacza, że w Ryugu było życie. To raczej dowód, że chemia poprzedzająca życie może rozwijać się bardzo daleko od planet, w ekstremalnie zimnych, ciemnych rejonach kosmosu. Granica między „zwykłą” chemią a pierwszymi systemami zdolnymi do kopiowania się okazuje się cieńsza, niż dotąd przypuszczano.

Jeżeli ta interpretacja się utrzyma, pytanie „skąd się wzięliśmy” zyska ciekawą odpowiedź: część historii rozgrywała się na Ziemi, ale pierwsze rozdziały scenariusza mogły powstać w mikroskopijnych ziarnach pyłu i lodu, krążących po orbicie Słońca na długo przed tym, zanim nasza planeta w ogóle się uformowała.