24 October 2008

Αβιογένεση

Από πολύ παλιά υπήρχε η αντίληψη ότι ορισμένες μορφές ζωής προκύπτουν αυτογενώς, από άβιο υλικό, δηλαδή από ανόργανη ύλη. Ο όρος αβιογένεση προέρχεται βέβαια από το τέλος του 19ου αιώνα, η ιδέα που περιγράφεται με αυτό τον όρο πρέπει όμως να επικρατούσε ήδη από τους αρχαίους χρόνους και σχετιζόταν με διάφορες δεισιδαιμονίες. Για παράδειγμα, όλα τα «άχρηστα», «ενοχλητικά» και «επιβλαβή» ζώα (σκουλήκια, ζωύφια κ.ά.) και φυτά (ζιζάνια, παράσιτα κ.ά.) προέρχονταν, σύμφωνα με αυτή την αντίληψη, από αβιογένεση. Και ενώ για τη συντήρηση των χρήσιμων ειδών απαιτείται η φροντίδα του ανθρώπου, τα άχρηστα ευδοκιμούν αυτοδύναμα, παρά τις προσπάθειες για εξαφάνισή τους.
Η πειραματική διάταξη του Miller και επεξήγηση
Αυτές οι αντιλήψεις οδηγούσαν λοιπόν στο απλοϊκό συμπέρασμα ότι τα χρήσιμα είδη προκύπτουν από ζωντανά υλικά, ενώ τα άχρηστα από νεκρή ύλη. Συνηθέστερο σχετικό παράδειγμα ήταν τα σκουλήκια στο χαλασμένο κρέας. Όσο το κρέας ήταν φρέσκο (ζωντανό), δεν είχε σκουλήκια. Άμα σάπιζε, δηλαδή γινόταν «νεκρό», όπως πιστευόταν τότε, εμφανίζονταν σκουλήκια... Αυτή η σχεδόν καθημερινή εμπειρία των ανθρώπων που προκαλούσε και απώλεια ποσοτήτων διατροφής, αποτελούσε (εσφαλμένη, προφανώς) απόδειξη της αβιογένεσης.

Το έτος 1668 έκανε ο Ιταλός γιατρό Francesco Redi (Ρέντι, 1626-1697) πειραματικές έρευνες και τοποθέτησε διάφορα κομμάτια κρέατος σε οκτώ δοχεία, τέσσερα από τα οποία τα σφράγισε και τα υπόλοιπα τέσσερα τα άφησε ανοικτά. Αποτέλεσμα ήταν να δημιουργηθούν σκουλήκια στο κρέας των ανοικτών δοχείων, στο οποίο μαζεύονταν μύγες. Το κρέας στα σφραγισμένα δοχεία σάπισε επίσης, αλλά δεν παρουσιάστηκαν σκουλήκια. Με νεότερα πειράματα, κατά τα οποία έβαζε ο Ρέντι πάνω στα δοχεία μια γάζα, ώστε να υπάρχει μεν κυκλοφορία αέρος αλλά να μην μαζεύονται μύγες, διαπιστώθηκε ότι και πάλι δεν δημιουργήθηκαν σκουλήκια. Η αντίληψη περί αβιογένεσης των σκουληκιών είχε ακυρωθεί.

Όμως οι φυσιοκρατική αντίληψη των πραγμάτων δεν δικαιολογούσε άλλη ερμηνεία της ζωής από αυτή της αβιογένεσης. Έτσι, με τη θεωρητική και πειραματική εξέλιξη της επιστήμης έγιναν προσπάθειες να εξηγηθεί και επιτευχθεί μεθοδευμένα μια τέτοια διαδικασία. Ήδη ο Δαρβίνος είχε υποθέσει ότι η ζωή δημιουργήθηκε στη Γη σε ένα θερμό περιβάλλον με «θρεπτικά» υλικά, μέσα σε μια δυναμωτική «σούπα». Πριν από τον α' παγκ. πόλεμο κατάφερε ο Χημικός Walter Löb να διαμορφώσει πειραματικές συνθήκες αβιογένεσης και παρήγαγε μάλιστα με ηλεκτρικές εκκενώσεις το αμινοξύ Glycin. Τα πορίσματά του δεν έτυχαν όμως της δέουσας προσοχής από την ερευνητική κοινότητα. Ο Βιοχημικός Melvin Calvin που προσπάθησε το έτος 1951 να δημιουργήσει οργανική ύλη από ανόργανη, βομβαρδίζοντας με ραδιενεργή ακτινοβολία ένα μείγμα διοξειδίου του άνθρακα και νερού, δεν πέτυχε το ζητούμενο αποτέλεσμα.

Τελικά, στέφθηκαν με επιτυχία οι προσπάθειες του φοιτητή της Χημείας Stanley Lloyd Miller (1930-2007), ο οποίος το έτος 1952 γέμισε στο εργαστήριό του στο πανεπιστήμιο του Σικάγου ένα σφαιρικό αντιδραστήρα με νερό, αμμωνία, μεθάνιο και υδρογόνο και τοποθέτησε σ' αυτόν δύο ηλεκτρόδια από βολφράμιο. Αφού θέρμανε το περιεχόμενο του δοχείου και συνέδεσε ηλεκτρική τάση στα άκρα των ηλεκτροδίων, άρχισαν να εκδηλώνονται ηλεκτρικές εκκενώσεις στο νεφέλωμα που είχε δημιουργηθεί στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.

Το περιεχόμενο του αντιδραστήρα αποτελούσε μια προσέγγιση της γήινης ατμόσφαιρας που επικρατούσε πριν από κάποια δισεκατομμύρια χρόνια και η οποία παρατηρείται σήμερα σε μερικούς δορυφόρους των μεγάλων πλανητών του ηλιακού μας συστήματος. Μέσα σε μια εβδομάδα άρχισε να αλλάζει χρώματα το μείγμα υγρών και αερίων στη γυάλινη σφαίρα του Μίλερ. Αρχικά πήρε ο «ωκεανός» στον πυθμένα του αντιδραστήρα χρώμα ροζ, μετά σκούρο κόκκινο και στα τοιχώματα επικάθισε ένα κίτρινο στρώμα. Την πέμπτη ημέρα του πειράματος κολυμπούσαν στην «πρωταρχική σούπα» του αντιδραστήρα 5 αμινοξέα, τα οποία αμινοξέα αποτελούν θεμελιώδη συστατικά των πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες με τη σειρά τους είναι πολύπλευρες ενώσεις, οι οποίες υπάρχουν σε όλους τους οργανισμούς. Περίπου το 15% του μεθανίου είχε μετατραπεί σε οργανική ύλη.

Ο Μίλερ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι είχε συγκροτήσει με την πειραματική διάταξή του μια θεμελιώδη κατάσταση που αναπαριστούσε τη διαδικασία αβιογένεσης στη Γη. Τον Μάιο του επόμενου έτους δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα στο επιστημονικό περιοδικό Science κι έτσι πήρε το όνομα του Μίλερ περίοπτη θέση στην Ιστορία της Επιστήμης. Ένα σχέδιο ή φωτογραφία της πειραματικής διάταξης του 1952 περιέχεται σήμερα σε όλα τα σχολικά βιβλία της Βιολογίας. Ο Μίλερ προσπάθησε τότε με το πείραμά του να επιβεβαιώσει μια θεωρητική σύλληψη του καθηγητή του Harold Urey. Όμως πολλοί συνάδελφοί του ήταν προβληματισμένοι, επειδή θεωρούσαν απίθανο να επαναληφθεί σε εργαστηριακές συνθήκες αυτό που εξελίχθηκε στη φύση μέσα σε εκατομμύρια χρόνια.

Από τότε μέχρι σήμερα αναπτύχθηκαν διάφορες απόψεις για τις συνθήκες που μπορεί να επικρατούσαν κάποτε στην ατμόσφαιρα και την επιφάνεια της Γης και οι οποίες απείχαν περισσότερο ή λιγότερο από αυτές που είχαν θέσει οι Urey και Miller ως προϋπόθεση στα πειράματα. Το σημαντικότερο πόρισμα από το πείραμα του Μίλερ ήταν όμως, ακόμα κι αν δεν εξομοίωνε το περιεχόμενο στον αντιδραστήρα του επακριβώς την ατμόσφαιρα στη Γη, ότι είχε αποδειχθεί πως είναι δυνατή η δημιουργία ζωής από ανόργανη ύλη. Με σημερινή ορολογία, η φύση είχε περάσει από τη Χημεία στη Βιολογία, όπως το διατύπωσε ο Ιστορικός των Επιστημών Ernst Peter Fischer. Ουσιαστικά συνέβη δηλαδή περίπου αυτό που διατύπωναν διαισθητικά οι φυσιοκράτες ερευνητές ήδη από την αρχαιότητα, αλλά δεν διέθεταν τις θεωρητικές γνώσεις και την πειραματική τεχνογνωσία για να το αποδείξουν.

Μια από τις σημαντικές συνέπειες αυτού του πειράματος ήταν επίσης η ψυχολογική αποδέσμευση διαφόρων ερευνητών από αντιλήψεις περί θεϊκής δημιουργίας κ.τ.ό. — όσοι τις διατηρούσαν, φυσικά! Η ιδέα για την «πρωταρχική σούπα», από την οποία προήλθε η ζωή στον πλανήτη μας, πέρασε έκτοτε στην καθημερινή κουβέντα, σε μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας, στα σενάρια κινηματογραφικών ταινιών, σε κόμικς κ.ο.κ. 


O Miller σε μεγαλύτερη ηλικία και η αρχική πειραματική διάταξη
Ο Χημικός Jeffrey Bada από το Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο του UCSD (Καλιφόρνια, Σαν Ντιέγκο) θέλησε φέτος να περιγράψει αναλυτικά το πείραμα του, μακαρίτη πλέον, δάσκαλου και φίλου του Μίλερ και αναζήτησε τις πειραματικές διατάξεις, οι οποίες είχαν βρει θέση, ως κειμήλια της Ιστορίας των Επιστημών, σε ένα υπόγειο του πανεπιστημίου του Σικάγου. Εκεί ανακάλυψε ο Bada μερικές ακόμα πειραματικές διατάξεις του Μίλερ, στις οποίες είχε επίσης αναφερθεί ακροθιγώς ο ερευνητής σε επιστημονική δημοσίευσή του.

Η μελέτη αυτών των νέων πειραματικών διατάξεων, οι οποίες δεν διέφεραν σημαντικά από την αρχική, έδωσε στους ερευνητές την εντύπωση ότι ο Μίλερ είχε προσπαθήσει να εξομοιώσει στον αντιδραστήρα την ατμόσφαιρα πάνω από ένα ηφαίστειο, όπου επικρατεί ταυτόχρονα καταιγίδα με ηλεκτρικές εκκενώσεις. Ένα φαινόμενο που δεν είναι μεν σύνηθες, αλλά περιγράφηκε ήδη κατά την Αρχαιότητα από τον νεότερο Πλίνιο για την έκρηξη του Βεζούβιου που είχε καταστρέψει την Πομπηία και καταγράφηκε πρόσφατα σε εντυπωσιακές φωτογραφίες στα ηφαίστεια της Χιλής (Chaiten) και της Ισλανδίας (Eyjafjalla).

Επίσης σημαντικό είναι ότι στον νεότερο αντιδραστήρα του Μίλερ είχαν δημιουργηθεί όχι μόνο 5 αλλά 22 αμινοξέα, τα οποία δεν ήταν όμως σε θέση να μετρήσει ο πειραματιστής με τις δυνατότητες του έτους 1955 (Science, τόμος 322/2008, σελ. 404). Αλλά, ακόμα και στα υπολείμματα του αρχικού αντιδραστήρα ανακάλυψαν οι ερευνητές ότι υπήρχαν 14 αμινοξέα. Ίσως δημιουργήθηκαν αυτά με την πάροδο των ετών, μάλλον όμως υπήρχαν από την αρχή εκεί αλλά δεν ήταν και πάλι σε θέση να τα εντοπίσει ο Μίλερ.

Οι αντιλήψεις των ερευνητών για τις συνθήκες που επικρατούσαν στη Γη, όταν προέκυψαν οι οργανικές ενώσεις, δεν είναι ενιαίες. Οι περισσότεροι θεωρούν ότι η κατάσταση περιγράφεται καλύτερα με ένα μείγμα υπέρθερμου ατμού, ατμών θείου, διοξείδιου του άνθρακα, άζωτου και ηφαιστειακής λάβας. Απ’ την άλλη μεριά, τα βιολογικά μόρια δεν αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες (οι πρωτεΐνες μέχρι περίπου 4Οο C), οπότε δεν θα ήταν δυνατόν να διατηρηθούν αυτά σε περιβάλλον ηφαιστειακών θερμοκρασιών.

Γι’ αυτό συμπεραίνουν ο Bada και οι συνεργάτες του ότι τα αμινοξέα στη Γη δημιουργήθηκαν μεν σε ηφαιστειακό περιβάλλον, αλλά η συσσωμάτωσή τους σε πρωτοκύτταρα έγινε σε κάποιον ήρεμο και δροσερό χώρο, μάλλον στη θάλασσα όπου κατέληγε η ηφαιστειακή λάβα. Αυτή η θάλασσα κοντά σε ηφαίστειο πρέπει να αποτέλεσε λοιπόν τον «ωκεανό» που φαντάστηκε ο Μίλερ και στον οποίο αναπτύχθηκε η ζωή με περιβάλλον σταθερής περίπου θερμοκρασίας. Άλλα πρωταρχικά βιολογικά μόρια πρέπει να έφτασαν στη Γη από το διάστημα, πάνω σε μετεωρίτες και συνέβαλαν στα πρώτα βήματα της γήινης βιολογίας. Ένας τέτοιος μετεωρίτης έπεσε το έτος 1969 στο Murchison της Αυστραλίας και πάνω του περιέχονταν περισσότερα από 100 αμινοξέα!

Τους επαγγελματίες εκπροσώπους των θρησκειών που παραπονούνται ότι, με αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα, είναι αναγκασμένοι να καταγράψουν άλλη μια υποχώρηση του θεού και της δημιουργιστικής ιδεοληψίας, είχε «μαλώσει» ο καθηγητής Urey ήδη το 1952, μετά την πραγματοποίηση των πειραμάτων και τον εντοπισμό των 5 αμινοξέων: «Αν ο θεός δεν ακολούθησε το δρόμο που έδειξε ο Μίλερ, τότε έχασε μια καλή ευκαιρία να κάνει κάτι απλό!»
(Στέλιος Φραγκόπουλος, Stelios Frangopoulos)
Από την Ιστορία της Τεχνολογίας