Czego brakuje pierwotnej zupie

9 września 2017
Blog szalonych naukowców

Wracając do (nie tak znowu) dawnych czasów, przypominam sobie zajęcia z chemii w liceum. Jednym z zagadnień postrzeganych przeze mnie jako dziwne były elektrody i półogniwa. Weźmy układ (np. wodny roztwór albo roztwór z zatopionym w nim kawałkiem metalu), w którym znajdują się cząsteczki bądź jony danej substancji w stanie zredukowanym i utlenionym. Uczyliśmy się, że można przypisać mu siłę elektromotoryczną równą E = Eo + RT/nF * ln([Utl]/[Red]), gdzie kolejne symbole po znaku równości oznaczają standardowy potencjał półogniwa, stałą gazową, temperaturę (oczywiście w kelwinach), ilość wymienianych w reakcji redukcji-utleniania elektronów, stałą Faradaya oraz stężenia obu form danej substancji. Bardzo dziwne, nikomu niepotrzebne – myślało się.

Z niczym się to coś nie wiązało. Choć było ciekawe. Jedną z ciekawszych elektrod była elektroda wodorowa. Formą zredukowaną był wodór cząsteczkowy H2 adsorbowany na platynie (tak się to pisze? To naprawdę było kilka lat temu). Stężenie tego wodoru jest mniej więcej stałe, więc potencjał półogniwa zależy tylko od stężenia formy utlenionej H+. Fajnie. Podobno nawet to coś komuś do czegoś jest przydatne.

Inna rzecz, o której uczyłem się w liceum, to teoria ewolucji. Dużo tej wiedzy nie było, i to jeszcze głównie Darwin (starocie), poza ewolucję biologiczną się nie wychodziło. Ale skąd się to całe życie wzięło, nie mówiono. Nie dlatego, że nauczyciel był uprzedzony, bo nie był (natomiast w klasie zawsze się jakiś kreacjonistyczny dziwak znajdzie, w końcu ewolucja nie tworzy bytów doskonałych :-)), po prostu mało było jeszcze wiadomo – sporo hipotez, mało pewnej wiedzy. Jeśliby wtedy ktoś chciał krytykować ewolucjonizm w imię czegoś, doradziłbym mu uderzyć właśnie w powstanie życia. Teoria ewolucji (nie wiedzieć czemu w dobrych szkołach często uczą albo przynajmniej sugerują, że jest tylko jedna :-)) tego nie wyjaśnia.

Ewolucja chemiczna tego nie wyjaśniała. Czytało się o pierwotnej zupie, w której mieszały się wszystkie potrzebne składniki i przez miliardy lat mieszania miały z nich powstać substancje organiczne, co symulowano sztucznie w warunkach doświadczalnych (eksperyment Millera-Ureya itd.). Potem tłuszcze miały gromadzić się razem (to akurat obserwuje się i dzisiaj często nie tylko w laboratorium, ale przy codziennych obowiązkach), a białka czy DNA miały wleźć do środka baniek tłuszczu – i tak powstała pierwotna komórka. Brzmi lepiej niż baraminy i nieredukowalna złożoność, ale wielce zadowalające to wyjaśnienie nie było. Roiło się więc od różnych hipotez wzbogacających tę opowieść. A to świat RNA, a to stosy hydrofobowe, a to nie wiem, co jeszcze.

Trwałem tak sobie w tej niewiedzy, aż tu jakiś rok temu ktoś z zaskoczenia mnie oświecił (w tej jednej kwestii, w innych moja niewiedza utrzymuje się nadal i mimo usilnych próśb moich nie ma zamiaru mnie opuścić :-)). Oto wpadła mi w ręce książka londyńskiego biochemika Nicka Lane’a „Pytanie o życie”.

Lane wyjaśnia po pierwsze, dlaczego pierwotna zupa nie mogła doprowadzić do powstania życia mimo wszystkich niezbędnych składników chemicznych. Aby to wytłumaczyć, wróćmy do liceum. Nauczyłem się tam, że reakcja chemiczna nie zachodzi ot tak: jakieś substraty, jakieś produkty, czary-mary, bach, zaszła. To, czy reakcja zajdzie łaskawie, jak byśmy chcieli, czy może nie, wyznacza termodynamika.

Ogólnie z fizyki wiadomo, że dany proces zachodzi, jeśli zwiększa wielkość zwaną entropią, określającą nieuporządkowanie układu (mówiąc po ludzku, każdy układ zmierza w stronę jak największego bałaganu). Entropia danego układu może się zmniejszyć, ale tylko kosztem entropii otoczenia (a więc gdy chcemy gdzieś posprzątać, ceną będzie jeszcze większy bajzel gdzie indziej). Wielkością fizyczną wiążącą w sobie zmiany entropii układu i otoczenia, a więc będącą miarą możliwości zajścia reakcji, jest entalpia swobodna, zwana potencjałem Gibasa, oznaczana literą G. Reakcja zachodzi przy ujemnej ΔG, przy dodatniej też zachodzi, ale w drugą stronę (podział reagentów na substraty i produkty jest w pewnym sensie umowny). Gdy ΔG = 0, reakcja nie zachodzi (ściśle mówiąc, we wszystkich trzech przypadkach reakcja zachodzi w obie strony, chodzi o sumaryczny wynik, przy zerowej entalpii swobodnej reakcje zachodzące w obie strony z tą samą prędkością po prostu się znoszą).

W przypadku reakcji chemicznej ΔG = ΔG0 + RTlnQ, gdzie Q jest ilorazem iloczynu stężeń produktów przez iloczyn stężeń substratów, tymczasem standardowa entalpia swobodna ΔG0 = – RTlnK, gdzie K jest stałą reakcji, wyrażającą ten sam iloczyn w warunkach równowagi. Wynika stąd dosyć prosto, że w warunkach równowagi (Q = K) reakcja nie zachodzi, bo ΔG = 0 (trochę zapewne upraszam, ale w końcu piszę, czego się nauczyłem w liceum). Mieszająca się ze sobą przez miliony lat pierwotna zupa była takim właśnie dobrze wymieszanym stanem równowagi o zerowej entalpii swobodnej. Żadne życie w niej powstać nie mogło.

Więc jednak baraminy i intelligent design? Gdzieżby znowu. Odpowiedź leży na dnie morza w okolicy zasadowych kominów hydrotermalnych. Dostarczają one energii cieplnej i związków chemicznych z głębi Ziemi. I różnic w pH (jak sama nazwa wskazuje). W ścianie komina znajdują się niekiedy niewielkie komórki skalne. Po obu stronach takiej półprzepuszczalnej komórki panuje różne pH, co oznacza różne stężenie jonów H+ (pH, potentia hydrogenii, to ujemny logarytm ich stężenia: pH = – log[H+]).

Wróćmy do elektrod. Różne stężenie H+ w sąsiadujących ze sobą roztworach oznacza sytuację analogiczną, jak w przypadku elektrody wodorowej (choć nie ma tu wodoru cząsteczkowego). Ogólnie różnice w stężeniu rozpuszczonej substancji przekładają się na istnienie potencjału (zwanego protonowym, bo H+ to pojedyncze protony). Jest jeszcze inny (jeden z wielu) wzór na entalpię swobodną: ΔG = – nFE. Czary-mary – i mamy entalpię swobodną.

Od komórek skalnych, w których zachodzą bez żadnego enzymu wszystkie reakcje cyklu Krebsa (czemu kreacjoniści podają go ciągle jako przykład nieredukowalnej złożoności, skoro zachodzi on bez najmniejszego wsparcia jakiegokolwiek życia?), do komórek z błoną biologiczną już niedaleko. Każda współczesna komórka utrzymuje się przy życiu i czerpie energię właśnie z różnicy potencjału. Zaopatrujące nas w energię mitochondria są otoczone dwoma błonami, pomiędzy którymi znajduje się obszar o wysokim stężeniu H+. Utlenianie cukrów czy tłuszczów powoduje w ostateczności wędrówkę elektronów przez łańcuch białek błonowych pompujących H+ do tego obszaru. Uciekające z niego kationy wodoru napędzają syntezę wysokoenergetycznego związku ATP (to proces zmniejszający entropię; by zaszedł, trzeba go powiązać z procesem o dużym wzroście entropii, np. powrotem jonów z obszaru o dużym stężeniu do obszaru o małym stężeniu). Wszyscy żyjemy dzięki potencjałowi protonowemu.

Kończąc, przez te kilka lat od mojej bytności w liceum nauka się rozwinęła. Jednak wyniesiona ze szkoły wiedza, która wtedy wydawała się z niczym niepowiązana, pozwoliła mi lepiej zrozumieć hipotezę, którą stworzono lata później. Dzięki za to dawnej szkole, przechodzącej właśnie do historii. Mimo wszystkich wad tamtego systemu edukacji – fajnie w niej było.

Marcin Nowak

Bibliografia

Nick Lane: Pytanie o życie. Prószyński i S-ka. Warszawa, 2016. ISBN 978-83-8069-275-6

fot. Ewan Munro, licencja CC BY-SA 2.0)