Denna wiadomość dla poszukiwaczy życia

Natura naszej planety jest przebogata i nieodkryta, stąd o wywrócone paradygmaty w szkolnym gabinecie do przyrody też się już można przewrócić. Do najbardziej spektakularnych w tym roku, a ośmieliłabym się twierdzić, że i w dekadzie, należy niedawne odkrycie, że tlen może na Ziemi (a więc na każdej innej skalistej i posiadającej wodę planecie we wszechświecie) powstawać całkowicie abiotycznie. Mianowicie dzięki aktywności skupisk minerałów zwanych konkrecjami polimetalicznymi, leżących sobie spokojnie na dnie Pacyfiku. Choć niekoniecznie tylko tam.

Owo odkrycie ma potencjalnie kolosalne skutki nie tylko dla naukowców, ale i obrońców środowiska oraz… producentów smartfonów czy elektrycznych samochodów.

Czytaj więcej

Plus Minus

Sami chłopcy w ofierze

Najnowsze odkrycia archeologiczne – w tym archeogenetyczne – przeczą wizji świata Majów, jaką my, Europejczycy, wymyśliliśmy i promujemy - mówi dr. Michał Gilewski, majolog z Centrum Badań Andyjskich Uniwersytetu Warszawskiego.

Kluczowe zdolności pewnych bakterii

Tlen stanowi dziś niemal 21 proc. składu atmosfery ziemskiej, jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, aczkolwiek znacznie lepiej w zimnej niż w ciepłej. Stąd lato jest okresem niedotlenienia zbiorników wodnych, zwłaszcza przydennie – bo przenikanie tlenu z powietrza do wody odbywa się jedynie na granicy styku. Niedotlenienie zbiorników ma miejsce zatem i wtedy, gdy lód skuje ich powierzchnię, uniemożliwiając natlenianie wody. Wody na szczęście zupełnie naturalnie się mieszają, woda bowiem najgęstsza, a zatem najcięższa jest, gdy ma 4 stopnie Celsjusza, takowa więc musi opaść na dno, co powoduje nieustający ruch.

Odkrycia, że istnieje „ciemny tlen” abiotyczny (na razie formułowanego jako wynikła z obserwacji i wyliczeń hipoteza do dalszych wnikliwych badań), dokonali współpracujący ze sobą oceanolodzy, geochemicy i elektrochemicy z wielu prominentnych ośrodków brytyjskich, amerykańskich i niemieckich, pod kierunkiem Andrew K. Sweetmana. Oznajmili o tym na łamach „Nature Geoscience” pod koniec lipca tego roku. Ich odkrycie ma liczne konsekwencje natury naukowej i praktycznej, ale przede wszystkim oznacza, że tlen w zbiornikach wodnych, tak niezbędny do przeżycia gigantycznej biomasie tam żyjącej, nie pochodzi li tylko z atmosfery oraz fotosyntezy prowadzonej przez glony i inne rośliny wodne.

Dotychczasowy paradygmat powstawania cząsteczkowego tlenu, kultywowany przez geochemików, biochemików, kosmologów, biologów od uniwersyteckich katedr aż po szkołę powszechną głosił, że każda kropla wody spadła na naszą planetę z kosmosu, ale każda cząsteczka tlenu powstała z tej wody na drodze aktywności żywych komórek.

Trudno powiedzieć, jakie były te żywe komórki najpradawniej. Mikropaleontologia wciąż spiera się z innymi naukami czy jakieś mikroskamieniałości są pozostałościami po żywych komórkach, czy jednak po czymś całkiem nieożywionym. Ziemia powstała jakieś 4,5–4,6 mld lat temu, a życie zaczęło na niej istnieć w sposób dla nas dziś „do odkrycia” jakieś 900 mln lat później. Szacuje się to dzięki trzem źródłom: z danych mikropaleontologicznych, analizy tzw. zegara molekularnego, którego kołami zębatymi są mutacje w bardzo silnie konserwowanych fragmentach DNA różnych żyjących dziś organizmów, oraz właśnie analizy pojawienia się tlenu atmosferycznego w najdawniejszych epokach geologicznych. Co oznacza, że najnowsze odkrycie niektóre z tych wyliczeń może postawić pod sporym znakiem zapytania.

Najwcześniejsze wyraźne dowody życia pochodzą z liczących sobie bagatela 3,7 mld lat biogenicznych sygnatur węglowych (to taki dość szczególny grafit) i skamieniałości buł stromatolitowych (zaraz wyjaśnię, co to za twór, bo dla tej opowieści będzie on kluczowy) odkrytych w skałach osadowych zachodniej Grenlandii. Niecałą dekadę temu potencjalne „pozostałości życia” znaleziono w liczących sobie 4,1 mld lat skałach w Australii Zachodniej. Opowieści o wcześniejszych formach życia (skamieniałe mikroorganizmy w osadach z kominów hydrotermalnych z wschodniego wybrzeżu Zatoki Hudsona w kanadyjskim Quebecu) sprzed 4,28 mld lat, czyli niedługo po uformowaniu się oceanów 4,4 mld lat temu, są, jak to bywa w tej nauce, kwestionowane.

Najdawniejsza epoka geologiczna naszej planety zwie się archaikiem. Jeśli coś wtedy żyło, to… niekoniecznie do dziś wyzdychało. Były to bowiem mikrobiologiczne maty współistniejących bakterii i archeonów (te ostatnie jednokomórkowce podobnie jak bakterie nie mają jądra komórkowego, ale w wielu biochemicznych aspektach przypominają bardziej nasze komórki niż bakteryjne). To w tym środowisku przebiegały główne etapy wczesnej ewolucji życia na Ziemi. Nie ma zaś trwalszej wobec wszelkich przeciwności formy życia niż jednokomórkowce – bakterie były tu na długo przed nami i będą tu po nas, aczkolwiek ewoluują bardzo szybko. Dla niniejszej opowieści najistotniejsza będzie zdolność pewnych pradawnych bakterii – zwanych dziś sinicami – do fotosyntezy, której zaistnienie szacuje się na jakieś 3,5 mld lat temu.

Dlaczego to ważne? Po pierwsze, już wspomniałam o bułach stromatolitowych – to są właśnie formacje budowane przez żyjące w gigantycznych koloniach sinice. Potrafią skamienieć i być dla nas świadkiem pradawnej przeszłości. Po drugie zaś – istotnie to właśnie te niewielkie bakterie wykształciły i posiadają do dziś zdolność do wychwytywania energii słonecznej i wykorzystywania jej do asymilacji dwutlenku węgla z atmosfery.

Za mało czasu na to wszystko

Gdy jednak uczymy się o fotosyntezie w szkole, nie mówi nam się wiele o jej kluczowym elemencie, wyjaśnianym w szczegółach dopiero na studiach. Mianowicie, że to, co energia słoneczna w istocie robi dzięki zielonemu barwnikowi zarówno sinic, jak glonów i innych roślin, zwanemu chlorofilem, nazywa się fotolizą wody. Foton rozbija cząsteczkę wody na wodór (niezbędny dalej do asymilacji dwutlenku węgla) i zupełnie zbędny, a nawet szkodliwy tlen, którego zielone komórki się pozbywają, ile muszą.

Nie, to nie pomyłka – tlen jest jedną z najbardziej zabójczych, szkodliwych i… postarzających substancji na świecie, co wie każda niewiasta wklepująca w skórę krem przeciwzmarszczkowy „zwalczający wolne rodniki”, czyli właśnie tlen w swej najaktywniejszej formie. Sinice zatem ewolucyjnie zaistniały i zaczęły się mnożyć, bo zdołały się uniezależnić od źródeł pokarmu (dwutlenek węgla był w atmosferze aż w nadmiarze, a słońce świeciło). Całe swoje ciała mogły budować z redukcji atmosferycznego CO2. W konsekwencji ilość produkowanej przez nie tlenowej trucizny tak w wodzie, jak atmosferze zaczęła rosnąć. Nie bez konsekwencji. Po pierwsze, jak każda trucizna, tlen w pewnym stężeniu zaczął wybijać wszystko, co wokół niego nie umiało sobie z nim poradzić. Po drugie, drastycznie oziębił się klimat. Rzecz cała nosi nazwę „wielkiej rewolucji tlenowej”.

Jak to? Przecież w szkole uczą, że bez tlenu nie ma życia! To niekoniecznie cała prawda. Istnieją beztlenowe mikroorganizmy (tlen je zabija, stąd skuteczność wody utlenionej na rany, aby zapobiegać zakażeniu beztlenowcami). Są też wielokomórkowe stworzenia, które wtórnie przestały zależeć od oddychania tlenowego (tasiemce, nasze własne mięśnie w stanie wzmożonego wysiłku…). Choć istotnie, świat po wielkiej rewolucji tlenowej był pobojowiskiem, na którym życie wykazywały albo organizmy zdolne się przed tlenem schować (choćby głęboko w muł), albo te zdolne coś z nim zrobić.

Po wielu próbach i błędach pewne bakterie, najbardziej podobne do dzisiejszych roznoszonych przez wszy riketsji wywołujących prawdziwy tyfus, zdołały jakoś „ogarnąć temat”. Do tego stopnia, że ostatecznie wykorzystują tlen do „spalania” w nim wydajnie swojego pokarmu (to się nazywa oddychanie tlenowe). Fermentacja bowiem czy rozpady beztlenowe dostarczają z tej samej cząsteczki cukru znacznie mniej energii niż „spalenie” jej w tlenie.

Ostatecznie oba wspomniane typy bakterii, poczynając od tych radzących sobie z tlenem, znalazły się – na drodze bycia pożartym i niestrawionym lub aktywnego zakażenia gospodarza, jak to w tyfusie – we wnętrzu przodków naszych komórek. Od pierwotniaków i grzybów po rośliny i zwierzęta, komórki wyposażone w jądro komórkowe posiadają je i dają w spadku swoim komórkom potomnym jako tzw. mitochondria (oddychające tlenem) i – tylko u roślin – chloroplasty (fotosyntetyzujące).

Zagadnienie to tytułuje się w naukach przyrodniczych jako teorię endosymbioz. Zasadniczo niemal wszystko, co na Ziemi żyje i ma jądro w komórkach (tzw. eukarionty), ma też mitochondria i oddycha tlenowo. Jak to bywa w uzależnieniach, trucizna – tlen – stała się im niezbędna do życia. Część tych komórek – i to kilkukrotnie – nabywała też zdolności do fotosyntezy, stąd tlen produkują dziś nie tylko sinice, ale wiele pierwotniaków, glony oraz wszelkie inne rośliny zielone. I dlatego właśnie tlen zaczął życie na Ziemi warunkować, zamiast mu zagrażać. Stąd także kojarzy się z istnieniem życia, bo to żywe fotosyntetyzujące komórki go tworzą. Sądziliśmy dotąd, że wyłącznie one.

Uważano, że przed fotosyntezą czy innymi biotycznymi procesami wytwarzającymi tlen, na Ziemi po prostu nie było, ergo jego zarejestrowanie gdzieś we wszechświecie – choćby metodami spektroskopowymi – oznacza, że tam jest życie.

Oczywiście, takie postawienie sprawy już od dawna wiązało się z różnymi ograniczeniami. Pierwsze dwa są natury filozoficznej. Nie trzeba czytać Lema, by być sobie w stanie wyobrazić, że życie nie musi być ani komórkowe, ani oparte na DNA jako materiale genetycznym i białkach jako budulcu oraz enzymach, nie musi wymagać energii pochodzącej z lokalnej gwiazdy, nie musi znać fotosyntezy ani oddychania etc. Nasze ziemskie życie jest chwilowo jedynym, które znamy, uważanie go za modelowe to jednak spore nadużycie z wielu względów. To, jak postrzegamy życie, jego aktywność, jest ponadto w niemałej mierze wynikiem takiej, a nie innej ewolucji naszych narządów percepcji i mózgu. Oraz taksonomii i nomeklatury, którą zajmujemy się namiętnie, odkąd Bóg rzekł do Adama: „Ponazywaj je!”.

Kolejne zastrzeżenia budzi fakt, że początki pojawiania się tlenu według dotychczas obowiązującej koncepcji musiałyby nastąpić już 3,5 mld lat temu, a gdy tlen cząsteczkowy nasycił wszystkie dostępne substancje redukujące na powierzchni Ziemi, nagromadził się w atmosferze około 2,4 mld lat temu. Systemy białkowo-błonowe, które dziś przeprowadzają fotosyntezę w sinicach, ergo tego tlenu miałyby dostarczać, są jednak szalenie skomplikowane. Maksymalne ich teoretyczne uproszczenie nadal daje wynik wymagający wyjątkowych warunków i grubego miliarda lat ciężkiej ewolucyjnej pracy u podstaw – zaczyna brakować czasu, żeby to się wszystko zdążyło wydarzyć.

Czytaj więcej

Plus Minus

Artur Wójcik: Odczarować profesora-chuligana

Edward Gierek potrafił z bezcennych dzieł (np. rękopisów Mozarta) robić okolicznościowe prezenty Honeckerowi. A skoro Gierek wysyła jakiegoś „przybocznego”, żeby mu przywiózł coś z depozytu Berlinki na prezent, to Karol Estreicher, stróż zbiorów z Muzeum UJ, obawiał się, że I sekretarz zaraz też przyśle po jakieś jagiellońskie skarby - mówi Artur Wójcik, historyk i archiwista z Muzeum Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.

Pożądane metaliczne kartofle

Aby w tym miejscu opowieść o najstarszych dziejach doprowadzić do jakiegoś końca, w proteozoiku, jakieś 1,6–1,7 mld lat temu, na Ziemi pojawiły się według mikropaleontologów nie tylko niewątpliwe eukarionty (znane z formacji Deonar w Indiach), ale też organizmy wielokomórkowe. Oznacza to, że endosymbioza bakterii będących dzisiejszymi mitochondriami (wydaje się jednostkowe wydarzenie w całej historii życia na Ziemi, a przynajmniej u początków tego życia, które trwa do dziś) musiała nastąpić wcześniej, aczkolwiek trudno z pewnością powiedzieć, kiedy dokładnie. Wielka rewolucja tlenowa według geochemików i geofizyków to też 2, a nie 2,4 mld lat temu. Potem anomalie stężenia tlenu w atmosferze owiane dziś nadal mgłą tajemnicy co do swej genezy mają miejsce jakiś miliard lat temu. Od 400 mln lat mielibyśmy mieć na naszej planecie stężenie tlenu mniej więcej takie, jak dziś.

Problem w tym, że aby to wszystko ustalić, naukowcy wykorzystali metodę pomiarów izotopów węgla w węglanach (ze skał wapiennych – to taki uwięziony dwutlenek węgla) stanowiących dna płytkich mórz różnych epok geologicznych. W ten sposób da się wyliczyć poziom fotosyntezy nawet przed milionami lat. Z tego wnioskowali, jakie wówczas panowało stężenie tlenu, tak w oceanie, jak w atmosferze. Patrząc na to dzisiejszym okiem, które właśnie dostrzegło, że tlen może być pochodzenia abiotycznego, nie tylko wątpimy w te wyliczenia sprzed kilku zaledwie lat, ale wpada nam tu do myślenia o geologicznej przeszłości Ziemi czynnik, który na razie niekoniecznie umiemy oszacować, mianowicie ów tlen z konkrecji polimetalicznych. Ile go jest dziś i ile bywało go kiedyś, tego nie wie nikt.

Leżą sobie na dnie jakieś 4, a nawet 6 tys. m pod powierzchnią wody, w całkowitej ciemności grudki metaliczne, okruchy skalne wielkości wisienki albo i kartofla, zasadniczo zawierające mangan i wiele innych metali, takich jak: żelazo, miedź, kobalt, nikiel, lit i inne metale ziem rzadkich. Stąd się ich poszukuje i intensywnie bada jako potencjalne źródło surowców do produkcji baterii. To dno usłane konkrecjami, gdzie, jak wskazują analizy, powstaje tlen, jest pozbawione organizmów fotosyntetyzujących.

Przy kominach podmorskich wulkanów, w wysokiej temperaturze i zasoleniu szczególne bakterie siarkowe umieją tam czerpać energię z procesów utleniania siarkowodoru non stop wydobywającego się z owych kominów, podobnie jak dwutlenek węgla. Żyją one w symbiozie, a dosłownie wypełniają trzewia innym organizmom, np. robakom ryftowym, którymi żywią się zbielałe (bo po co komu kolory w ciemności) małże i kraby, stanowiące z kolei żer dla ryb węgorzycowatych. Tam nie ma fotoautotrofii, ale u podstawy piramidy pokarmowej leży bakteryjna chemoautotrofia.

W badaniach przedstawionych na łamach lipcowego „Nature Geoscience” widzimy głębinowy świat, gdzie powolutku i bez zakłóceń, spontanicznie i nieustannie, być może już od początku oceanów na naszej skalistej planecie powstaje „ciemny tlen”. Został on dostrzeżony, mimo że jako żywo fotosyntezy tam żadnej być nie może. A jednak różnorodność fauny na dnie oceanicznym na obszarach bogatych w konkrecje jest wyższa niż w najbardziej zróżnicowanych tropikalnych lasach deszczowych (jeśli ufać zapewnieniom uczonych, choć myślę, że obie te bioróżnorodności nie są jeszcze w pełni poznane). Może to oznaczać, że „ciemny tlen” jest wykorzystywany przez te zwierzęta do oddychania i niezbędny.

Mamy zatem z eksploatacją tych bezcennych metalicznych kartofli nowy problem, nie tyle techniczny, ile środowiskowy. Jeśli jakiś „nautilus” potrafiłby je nawet delikatnie pozbierać z dna, cóż wtedy zapewni tlen głębinowym organizmom morskim, które ewidentnie mogą korzystać odwiecznie z tego nieznanego uczonym dotąd zasobu? Wystarczy „Degradacja środowiska” jako hasło i plakat z foczką (plakat z potwornie nieraz wyglądającymi rybami głębinowymi mógłby nie wywołać tyle współczucia) – a każda firma wydobywcza miałaby dziś pozamiatane i mogłaby się pakować, bo to nie są lata 80. XX wieku.

Złoża w formie tych tlenotwórczych grudek, potwierdzone w trakcie badań ok. 3000 km na zachód od wybrzeży Meksyku, wystarczyłyby dla całej planety na kilka dekad przy rosnącym zapotrzebowaniu. Amerykanie w sposób oczywisty szukają dziś dostępnych im złóż, aby ograniczyć konieczny, wymuszany transformacją energetyczną import, chociażby litu z Chin. Jak to bywa w takich sytuacjach – i czego sucha w swej treści publikacja naukowa z „Nature Geoscience” nie opisuje, ale uczeni dopowiadają – gdy czujniki wykazały obecność tlenu na dnie w sąsiedztwie konkrecji, uznano je za wadliwe i wymieniono. Potem nawet zmieniono metodę pomiaru i… nic. Tlen ciągle był wykrywany.

Skąd on się bierze? Pomocne nam tu będzie zrozumienie, że tak jak w wyniku działania energii słonecznej dochodzi do fotolizy wody, tak w wyniku działania energii elektrycznej może dochodzić do jej elektrolizy. W wyniku obu tych procesów tlen zawsze wydziela się na jakimś typie anody (anodą, podobnie jak katodą może być wiele rzeczy, nie ograniczajmy swojej wyobraźni do działania baterii alkalicznej, takiej z telefonu czy latarki). Już od jakiegoś czasu jest jasne, że rdza zanurzona w słonej wodzie jest źródłem elektryczności. Pytanie brzmi, czy konkrecje metaliczne na dnie oceanu, w razie stykania się w większych grupach, działałyby jak połączone szeregowo źródła energii elektrycznej.

Okazuje się, że do elektrolizy wody morskiej wystarczy napięcie 1,5 wolta, a pojedyncza solidna konkrecja z dna Oceanu Spokojnego daje niemal 1 wolt! Autorzy pracy, kierowani w tym aspekcie przez specjalistę z Northwestern University Franza Geigera, nazywają to zjawisko połączonych szeregowo konkrecji, zdolnych wytwarzać znacznie wyższe napięcie, „geobaterią”.

Coś, co należałoby chronić

Co to ostatecznie oznacza? Że tlen przestaje być dobrym wyznacznikiem istnienia życia gdzieś tam w kosmosie i że mogą nam się nieco rozsypać pewne datowania zjawisk zachodzących na naszej planecie w czasach, o których szalenie chcielibyśmy się dowiedzieć, czyli „na początku”. Że oddychające tlenem życie mogłoby równie dobrze powstać na dnie oceanu, gdzie leżały konkrecje metaliczne, jak w płytkich zatokach, gdzie rosły i truły tlenem buły stromatolitowe. Że przydenna oceaniczna fauna ma skąd czerpać tlen do życia i te zasoby należałoby chyba jednak jakoś chronić. A chrapkę na nie ma wielu, bo tlen ów powstaje dzięki elektrycznej aktywności grudek złożonych z wymieszanych ze sobą częstokroć cennych i rzadkich metali.

Bez tlenu dziś istotnie na Ziemi prawie nie ma życia, ale tlen bez życia już jednak na Ziemi jest.

Czytaj więcej

Plus Minus

Jarosław Dumanowski: Kostka rosołowa była kiedyś wielkim przysmakiem

„Kostka rosołowa”, czyli coś wyklętego przez dzisiejszych mistrzów patelni, bo „przemysłowe, okropne i pełne konserwantów”, dawniej była wielkim przysmakiem. Na początku służyła jako coś nowego, a zatem wykwintnego i specjalnego. Sygnalizowała zwrot ku uwydatnieniu naturalnego smaku produktów wykorzystanych do stworzenia dania – mówi dr. hab. Jarosław Dumanowski, historyk i badacz polskiej kuchni.