#pokolenieNCN – Rafał Szabla: Cegiełki życia na młodej Ziemi

W 10. odcinku serii rozmawiamy z Rafałem Szablą, chemikiem z Politechniki Wrocławskiej, który bada, jak z prostych związków chemicznych mogły powstać cegiełki życia na młodej Ziemi.

Prof. Rafał Szabla, chemik teoretyk z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej, wraz z zespołem bada fundamentalne właściwości RNA, DNA i innych biocząsteczek – ich reaktywność oraz oddziaływanie z promieniowaniem ultrafioletowym. Jego badania z zakresu chemii prebiotycznej pomagają zrozumieć, jak na młodej Ziemi mogło powstać życie.

Chemia młodej Ziemi

Około 3,8 miliarda lat temu, po zakończeniu okresu wielkiego bombardowania, na Ziemi istniały już ciekła woda, ląd i atmosfera niemal pozbawiona tlenu cząsteczkowego. Z tym okresem badacze wiążą początki życia, choć przejście od chemii do pierwszych organizmów wciąż pozostaje niejasne. – Życie to jest przede wszystkim chemia, bo we wszystkich układach żywych, w komórkach, nawet tych najprostszych, chemia rządzi ich funkcjonowaniem. Chemia rządzi tym, jak one zarządzają energią. Chemia również jest odpowiedzialna za to, w jaki sposób one mogą się dzielić, czyli mogą ulegać replikacji – mówi Rafał Szabla.

W niewielkich zbiornikach wodnych, gdzie związki chemiczne mogły się zagęszczać, a reakcje efektywnie zachodzić, kluczową rolę odegrał cyjanowodór – związek dziś trujący, a wówczas będący zarodkiem bardziej złożonych struktur. – I ten cyjanowodór tak naprawdę był tym kluczowym początkowym związkiem, tym zarodkiem, z którego powstało coś bardziej skomplikowanego.

Powstające życie musiało też skądś czerpać energię. Dziś organizmy pozyskują ją głównie ze słońca, ale na początku potrzebny był inny zasób – i tu badacz stawia ostrożną hipotezę, że kluczową rolę mogły odegrać cukry, pochodzące jeszcze z okresu formowania się planety. Wskazują na to badania materiału pozaziemskiego: w próbkach z asteroid i w obserwacjach dysków protoplanetarnych, a także podczas misji Rosetta na kometę, obok prostych komponentów RNA i DNA odnajduje się również cukry oraz aminokwasy budujące białka.

Jak bada się tak odległą przeszłość?

Skoro nie wrócimy do tamtych warunków ani nie znajdziemy skamielin sprzed miliardów lat, pytanie o powstanie życia trzeba postawić inaczej. – Można zapytać: jak w ogóle życie mogło powstać w jakichś określonych warunkach? Czyli na podstawie tych ograniczeń, jakie my możemy postawić zgodnie z naszą wiedzą na temat składu atmosfery, składu chemicznego skorupy ziemskiej, tego co mogło być w tych małych jeziorkach, lagunach.

Przełomem było badanie zespołu Johna Sutherlanda z 2009 roku, opublikowane w „Nature": pokazało, jak w warunkach młodej Ziemi mogły powstać dwie z czterech cegiełek budujących kwasy nukleinowe. Rozstrzygającą rolę odegrało promieniowanie ultrafioletowe: te same reakcje mogły dać wiele różnych produktów, a UV sprawiało, że powstawały głównie właściwe struktury. Rolą chemii teoretycznej, którą zajmuje się Rafał Szabla, jest wyjaśnienie mechanizmów takich reakcji za pomocą obliczeń, weryfikowanych następnie doświadczalnie. We współpracy z zespołem Sutherlanda badacz oraz jego współpracownicy z Politechniki Wrocławskiej – prof. Robert Góra i dr Mikołaj Janicki – wyjaśnili mechanizmy powstawania kolejnych kluczowych cegiełek kwasów nukleinowych; praca ukazała się w „Nature" w 2020 roku. – Dla mnie niezwykle zajmującym pytaniem jest to, w jaki sposób te kwasy nukleinowe, RNA czy DNA, mogły na młodej Ziemi uzyskać pierwszą funkcjonalność. Czyli na przykład w jaki sposób mogły się samoreplikować.

Dokąd prowadzą badania podstawowe

Chemia prebiotyczna odsłania reakcje wcześniej nieznane, a poznana wiedza z czasem otwiera drogę do zastosowań – choćby wydajniejszej replikacji DNA. Rafał Szabla przypomina jednak, że droga od odkrycia do jego wykorzystania bywa długa. – Maria Skłodowska-Curie również kierowała się ciekawością. Odkrywając nowe pierwiastki, nie zdawała sobie sprawy, jak daleko idące są implikacje jej odkryć. Wiele z nich poznaliśmy dopiero po latach. Bez badań podstawowych nie ma i nie będzie zastosowań.