Nauka i technika
c
z
y
l
i
Na tropach życia, czyli
jak przebiegała ewolucja
j
a
k
p
r
z
e
b
i
e
g
a
ł
a
e
w
o
l
u
c
j
a
materii we Wszechświecie
m
a
t
e
r
i
i
w
e
W
s
z
e
c
h
ś
w
i
e
c
i
e
MAREK K. KALINOWSKI
eguły i prawa, według których funk- ły wtedy galaktyki i gwiazdy, nie istniały na-
cjonuje Wszechświat oraz opis jego wet atomy oraz ich podstawowe składniki
Rrozwoju  to podstawowe zagadnie- (protony, neutrony, elektrony), nie mogły
nia filozofii i nauk przyrodniczych. Możliwe istnieć nawet kwarki... Wielki Wybuch był
scenariusze ewolucji materii, wiodącej przyczyną sprawczą ekspansji Wszechświa-
do powstania życia na Ziemi, fascynują ba- ta, którego rozmiary stopniowo wzrastały,
daczy reprezentujących różne specjalności. malała gęstość i temperatura. Potem nade-
Wystarczy powiedzieć, że co rok ukazuje się szła era hadronowa. Pomińmy domniemane
kilkaset publikacji chemików, fizyków i bio- drogi oraz szczegóły przebiegających zja-
logów, przynoszących nowe, ważne informa- wisk, informując tylko, że powstały wtedy
cje i koncepcje. Zarysowują one konse- między innymi protony i neutrony. A po
kwentny, jakby logiczny ciąg zdarzeń, upływie mniej więcej 0,001 s nastała era lep-
wydający się potwierdzać słuszność poglądu tonowa. Trwała około 10 s; obok innych czą-
Alberta Einsteina wypowiedzianego w liście stek elementarnych zaliczanych do kategorii
do Maxa Borna, znanym z okresu sporu leptonów zaistniały wówczas elektrony.
uczonych na temat probabilistycznej inter- Na początku kolejnego stadium rozwoju,
pretacji rodzącej się wówczas mechaniki określanego jako era promieniowania,
kwantowej:  ... mój głos wewnętrzny mówi Wszechświat był więc mieszaniną obejmują-
mi, że Bóg [stwarzając Wszechświat  przyp. cą między innymi protony, neutrony, elek-
mój, MKK] nie rzucał kostką . Przyjrzyjmy trony oraz promieniowanie elektromagne-
się zatem choćby niektórym faktom. tyczne i neutrinowe. Już po kilku pierwszych
Otóż aktualne badania informują, że sekundach, po zakończeniu fazy inflacyjnej
Wszechświat zaistniał (13,7ą0,2)�109 lat te- (przyspieszonej ekspansji), zaistniały wa-
mu, a jego początkiem  zgodnie z tzw. mo- runki umożliwiające wychwyt neutronów
delem standardowym  był Wielki Wybuch. przez protony; w ten sposób powstawały
Nie wiemy, co spowodowało ów akt, a pe- najprostsze jądra złożone  deuterony:
wien, jedynie hipotetyczny obraz Wszech-
świata, w którym zapewne panują nieznane
dotąd kwantowe prawa grawitacji, zaryso- Wychwytywały one kolejne neutrony
wuje się dopiero w epoce Plancka, czyli i protony, przekształcając się w promienio-
w czasie rzędu 10 44 s po Wielkim Wybuchu. twórcze jądra trytu:
A jest to obraz doprawdy egzotyczny [1]:
oto ówczesny Wszechświat, gdyby był roz-
patrywany w przestrzeni kartezjańskiej, oraz lekkiego izotopu helu:
miałby promień ~10 33 cm, gęstość rzędu
1093 g cm 3 i temperaturę 1032 K, która od-
powiada energii rzędu 1019 GeV. Nie istnia- Skutkiem kolejnych przemian:
Chemia w Szkole
6
Nauka i technika
błądzące w przestrzeni kosmicznej. Powsta-
wały atomy wodoru o liczbach masowych 1
i 2, helu o liczbach masowych 3 i 4, wreszcie
litu o liczbie masowej 7. W największej obfi-
tości występowały pierwsze z wymienionych;
były szczególnie trwałe jądra . obfitość była mniejsza o kilka rzędów
Takimi zapewne drogami przebiegała wielkości. Z takim wianem Wszechświat
nukleosynteza pierwotna [2,3]. Jej zakoń- wkroczył w kolejną fazę rozwoju  erę kon-
czeniem, zgodnie z tzw. hipotezą ą�ł (od densacji, nazywaną także gwiezdno-galak-
nazwisk Alphera, Bethego i Gamova), mo- tyczną lub współczesną, bowiem trwa ona
głaby być przemiana: do naszych czasów. Informacje przekazane
przez satelitę COBE (Cosmic Background
Explorer) wykazały istnienie mierzalnych
co wskazuje, że w ciągu mniej więcej pierw- fluktuacji temperatury promieniowania tła,
szej godziny zaistniały izotopowe jądra wo- a więc lokalnych zagęszczeń materii w róż-
doru i helu oraz jądra litu o liczbie maso- nych obszarach wczesnego Wszechświata
wej 7. Czy w podobnych warunkach mogły [4,5]. Stopniowo narastające siły grawitacji
powstać nuklidy jeszcze bardziej złożone? powodowały ich kondensację i przyciąganie
Odpowiedz
na to pytanie jest zdecydo- produktów nukleosyntezy pierwotnej z bar-
wane negatywna. Zauważmy bowiem, że dziej odległych obszarów przestrzeni. Mate-
przebieg każdej następnej reakcji rozpocz- ria obłoku stawała się coraz gęstsza, rosła
nie się wtedy, gdy w określonej przestrzeni przy tym jej temperatura. Niekiedy obłok
nagromadzi się dostatecznie duża liczba rozpadał się na części, a gdy temperatura
wytworzonych wcześniej jąder; jąder, do- przekraczała milion stopni, rodziły się pro-
dajmy, obdarzonych energią kinetyczną wy- togwiazdy. Rozbłyskiwały, potem traciły
starczającą do pokonania coraz wyższych swój blask, jaśniały ponownie, by po pewnej
barier kulombowskich. A przecież Wszech- liczbie takich przemian rozpocząć swój zwy-
świat nieustannie rozszerzał się, wychła- kły, gwiezdny żywot. Żywot związany z prze-
dzał, czyli rosły odległości między oddziału- mianą protonów w jądra :
jącymi obiektami, malała ich energia...
Decydującą rolę odgrywał więc czas; to dla-
tego mniemamy, że w warunkach nukle- Niestabilność grawitacyjna, wspomaga-
osyntezy pierwotnej nie było żadnych szans na zapewne przez inne procesy, dobrze wy-
na wytworzenie jąder o liczbach masowych jaśnia powstawanie gwiazd. Na fotogra-
przekraczających 7. Jakie jest zatem pocho- fiach zarejestrowanych przez aparaturę
dzenie pozostałych pierwiastków? próbnika WMAP (Wilkinson Microwave
Otóż w końcowym stadium ery promie- Anisotropy Probe) można zidentyfikować
niowania (a trwała ona, powiedzmy, kilkaset dokładne obrazy przyszłych galaktyk i ich
tysięcy do miliona lat) nuklidy, o których gromad; wiek Wszechświata wynosił wów-
mówiliśmy dotąd, wychwytywały elektrony czas zaledwie 380 tysięcy lat [6].
L ITERATURA
[1]. M. Heller, Ewolucja Kosmosu i kosmologii, PWN, Warszawa, 1985.
[2]. B. Kuchowicz, Kosmochemia, PWN, Warszawa, 1979.
[3]. .. >9B:528G, @>1;5<K :>A<>E8<88, 74. >AB>2A:>3> C=825@-A8B5B0, 1987.
[4]. D.J. Fixsen, E.S. Cheng, M. Gales, J.C. Mather, R.A. Shafer, E.L. Wright, Astrophys. J., 473, 576 (1996).
[5]. E.F. Bunn, P.G. Ferreira, J. Silk, Phys. Rev. Letters, 77, 2883 (1996).
[6]. C.L. Bennett, M. Halpern, G. Hinshaw, N. Jarosik, A. Kogut, M. Limon, S.S. Meyer, L. Page, D.N. Spergel, G.S. Tucker, E. Wollack, E.L. Wright,
C. Barnes, M.R. Greason, R.S. Hill, E. Komatsu, M.R. Nolta, N. Odegard, H.V. Peiris, L. Verde, J.L. Weiland, Astrophys. J. Suppl. Ser., 148, 1 (2003)
2/2007
7
Nauka i technika
Proces przemiany czterech protonów prowadzi, oczywiście, do stopniowego
w jądra przebiegający w kilku stadiach, wzrostu temperatury gwiazdy. Wraz z po-
który  nawiasem mówiąc  jest z
ródłem wstawaniem węgla coraz większą rolę od-
energii słonecznej, określa się zazwyczaj grywają radiacyjne wychwyty :
mianem gałęzi głównej cyklu protonowego.
Znane są także dwie gałęzie boczne; szcze-
gólną rolę odgrywają w nich jądra izotopo-
we helu wytworzone w nukleosyntezie pier-
wotnej, bądz
w wyniku  spalania protonów
we wnętrzu gwiazdy. Wymienię tutaj reak- Po wyczerpaniu helu we wnętrzu gwiaz-
cję prowadzącą do nietrwałych jąder berylu: dy pozostaje w zasadzie mieszanina nukli-
dów węgla i tlenu z niewielką domieszką
neonu. Jeśli masa gwiazdy jest wystarczają-
które wprawdzie wychwytują elektrony: co duża, dalsze jej kurczenie się doprowa-
dza do temperatury rzędu 500 milionów
stopni, a wtedy zaczynają oddziaływać ze
ale również, w czasie swego istnienia, mogą sobą (spalać się) atomy się węgla:
oddziaływać z protonami:
Gdy w wyniku kondensacji wodoru i he-
lu powstały najstarsze gwiazdy, wydzielanie
energii w ich wnętrzach było związane wła-
śnie z cyklem protonowym. A co działo się Wreszcie w temperaturze około miliar-
po wypaleniu wodoru? da stopni następuje spalanie tlenu:
Mówiąc najprościej, dalsze losy gwiazdy
zależą od jej masy. Przy masach dostatecz-
nie dużych, grawitacyjne kurczenie się
gwiezdnego jądra, zawierającego teraz
przede wszystkim hel może doprowadzić
do wzrostu temperatury nawet do stu mi-
lionów stopni. W tych warunkach prawdo- a szczególnie rozpowszechnionym  popio-
podobna staje się przemiana: łem staje się krzem. Ogromna bariera
kulombowska związana z procesem
sprawia, że zmieniają się drogi
a powstające w niej jądro , chociaż syntezy cięższych pierwiastków. W ogól-
skrajnie nietrwałe, wychwytuje radiacyjnie nym zarysie mamy o nich pewne wyobraże-
: nie; wiemy również, że istnieją mniej lub
bardziej uzasadnione doniesienia o identy-
fikacji w gwiazdach nawet pierwiastków
Nuklid jest jednym z ogniw tzw. cy- transuranowych [2, 3].
klu węglowo-azotowego; w tym wypadku Od osobliwego stanu Plancka, poprzez
ograniczymy się do wskazania tylko jednej cząstki elementarne, potem jądra atomowe
wybranej reakcji, powadzącej do zaistnie- i atomy pierwiastków  tak postępowała
nia jąder azotu: ewolucja fizyczna materii we Wszechświe-
cie. Ale to wcale nie koniec opowieści: pa-
miętamy bowiem, że stadium kończące
Proces spalania helu i związane z nim przebieg reakcji jądrowych w gwiez
dzie za-
nagromadzanie się coraz cięższych jąder leży od jej masy. Szczególnie spektakularny
Chemia w Szkole
8
Nauka i technika
jest kres życia gwiazd ciężkich, o masach co Tabela 1.
Niektóre związki organiczne wykryte w prze-
najmniej czterdziestokrotnie przekraczają-
strzeni międzygwiezdnej
cych masę Słońca. W wyniku gwałtownego
kurczenia się pod wpływem sił grawitacyj-
zidentyfikowane na podstawie widm rotacyjnych
nych, gwiazda taka zapada się sama w sobie,
aldehyd mrówkowy HCHO
a towarzyszy temu wyzwolenie ogromnej
aldehyd octowy CH3CHO
ilości energii. Obserwujemy wówczas wy-
tioaldehyd mrówkowy HCHS
buch supernowej o jasności przewyższającej
kwas mrówkowy HCOOH
nawet sto milionów razy jasność Słońca oraz
wyrzucenie części gwiezdnej materii w prze- alkohol metylowy CH3OH
strzeń Kosmosu. Pozostałością po takim wy- alkohol etylowy C2H5OH
buchu w naszej Galaktyce (rok 1054) jest mrówczan metylu HCOOCH3
przepiękna Mgławica Krab. Materia odrzu- cyjanoacetylen H Ca"C CN
cona przez umierającą gwiazdę wchodzi
cyjanodiacetylen H (Ca"C)2 CN
póz
niej w skład nowopowstających gwiazd,
cyjanopentaacetylen H (Ca"C)5 CN
gwiazd młodszego pokolenia, do których
metylenoimina H2C=NH
należy również nasze Słońce.
metyloamina CH3NH2
Tak więc z
ródłem pierwiastków che-
eter dimetylowy (CH3)2O
micznych są gwiazdy. W tym aspekcie jakże
glicyna H2NCH2COOH
ciekawie wygląda ich względne rozpo-
acetonitryl CH3CN
wszechnienie (odpowiednie wartości poda-
formamid NH2CHO
ne są w nawiasach) w Galaktyce. Wśród
zidentyfikowane na podstawie widm
pięciu występujących w największej obfito-
oscylacyjnych
ści znajdujemy, oprócz helu (0,07), wodór
nasycone węglowodory alifatyczne (metan,
(1), tlen (0,0007), węgiel (0,0004) i azot
etan, propan), acetylen, węglowodory aroma-
(0,0001) [7]. Czy to przypadek, że na tych
tyczne (benzen, naftalen, antracen i pochodne)
pierwiastkach opiera się życie? Od rozwa-
żań o życiu jesteśmy wprawdzie daleko, ale
wspomnijmy właśnie teraz, że wystarczy, smosu wykryto ponad 300 połączeń orga-
aby w reakcjach jądrowych zachodzących nicznych. Jest wśród nich formaldehyd,
w gwiazdach pierwszego pokolenia powsta- pierwszy zidentyfikowany, silnie rozpo-
ło choćby kilka pierwiastków, a ich atomy wszechniony w przestrzeni pozaziemskiej,
trafiły w przestrzeń kosmiczną, by mogła związek organiczny (1969 rok), jest naj-
zacząć się i rozwinąć ewolucja chemiczna prostszy aminokwas białkowy, glicyna, jest
materii. Od prostych jonów i molekuł dwu- wreszcie cyjanopentaacetylen, bodajże naj-
atomowych, takich jak, np. C2, CO, CO+, cięższa wykryta dotąd molekuła o budowie
CH+, CH, CN, CS, OH, NS, SiO, póz
niej łańcuchowej...
zbudowanych z trzech atomów (H2O, Cząsteczki łańcuchowe o trwałym nieze-
HCN, HCO, CCH, N2H+, H2S), prowadzi rowym momencie dipolowym identyfikuje
ona do układów coraz bardziej złożonych, się zazwyczaj na podstawie widmowych
również tych, którym przypisujemy znacze- przejść rotacyjnych w zakresie mikrofalo-
nie biologiczne. Wzory wybranych znajdu- wym; widma oscylacyjne, rejestrowane
jemy w tabeli 1; wybranych, bowiem do w podczerwieni z wykorzystaniem okien
czasów obecnych, w różnych obszarach Ko- przezroczystości atmosfery ziemskiej lub
L ITERATURA
[7]. R. Huffman, Adv. Phys., 26, 1129 (1977).
2/2007
9
Nauka i technika
Tabela 2. -Ziemia, której narastanie zakończyło się
Związki organiczne zidentyfikowane w me- mniej więcej 20 milionów lat póz
niej [10].
teorycie Murchison
Układ planetarny powstawał z materii wy-
tworzonej w starszych gwiazdach; w skład
68 węglowodorów alifatycznych i aromatycz-
Słońca weszły przede wszystkim wodór
nych
i hel, ale także domieszki cięższych pier-
kwasy karboksylowe o długości łańcucha
wiastków. Minęło zadziwiająco mało czasu,
C2 C20
gdy na Ziemi zaistniało życie: jego pierw-
17 kwasów dikarboksylowych
sze ślady, odnalezione na Grenlandii, po-
7 ą-hydroksykwasów
chodzą prawdopodobnie sprzed 3,9 miliar-
10 amin alifatycznych
da lat, zaś zidentyfikowane w Afryce
alkohole, aldehydy, ketony
 sprzed 3,4 miliarda lat. Ewolucja biolo-
związki o znaczeniu biologicznym:
giczna, którą można traktować jako natu-
52 aminokwasy, wśród nich 19 aminokwasów
ralne przedłużenie ewolucji chemicznej,
białkowych
prowadziła do organizmów coraz bardziej
związki heterocykliczne, wśród nich pochod-
złożonych, a jej ukoronowaniem stał się ga-
ne pirymidyny, adenina, guanina, porfiryny
tunek Homo Sapiens; jego początki sięgają
mniej więcej 160 tysięcy lat [11].
w warunkach pozaatmosferycznych, są Jak jednak powstawało życie na Ziemi?
z kolei użyteczne przy identyfikacji, np. mo- Pomimo usilnych dociekań, nauki przyrod-
lekuł pierścieniowych. nicze nie dały dotąd zadowalającej odpo-
Wiele połączeń organicznych wykryto wiedzi na to pytanie. Domyślamy się, jak
także w materii meteorytów. Przykładem w warunkach ziemskich mogły przebiegać
niechaj będzie meteoryt Murchison, odna- kolejne stadia ewolucji chemicznej materii.
leziony w Australii w roku 1969; (tabela 2) Przypomnijmy zapoczątkowane w latach
dobrze ilustruje ogromne bogactwo wspo- pięćdziesiątych minionego stulecia słynne
mnianego obiektu. Jest wśród nich 19 ami- doświadczenia Stanleya Millera, który pod-
nokwasów białkowych, są pochodne piry- dawał wyładowaniom elektrycznym, imitu-
midyny, zasady nukleinowe... A przecież jącym burzowe błyskawice, mieszaninę me-
Murchison nie jest wcale szczególnym wy- tanu, amoniaku i pary wodnej (gazy te
jątkiem; w meteorytach Murray (USA, wchodziły zapewne w skład pierwotnej at-
Kansas, 1950 rok) i Tagish Lake (Kanada, mosfery ziemskiej). Już po upływie jednej
2001) także zidentyfikowano po kilkadzie- doby powstały trzy kwasy karboksylowe
siąt związków organicznych [8]. Analiza py- (mrówkowy, octowy i propionowy), po kil-
łu kometarnego zbieranego w stratosferze ku następnych  mocznik i kilka amino-
przyniosła równie wartościowe wyniki [9] kwasów. Formaldehyd, prawdopodobnie
świadczące o tym, że nawet stosunkowo występujący w dużej obfitości na po-
złożone cząsteczki powstają w przestrzeni wierzchni formującej się Ziemi, poddany
międzygwiezdnej. naświetlaniu nadfioletem przekształcał się
Słońce powstało około 4,567 miliarda w rybozę i dezoksyrybozę, czyli cukry
lat temu. W ciągu następnych 100 tysięcy wchodzące w skład kwasów nukleinowych.
lat uformowały się pierwsze zarodki pla- Dwie zasady nukleinowe, guanina i ade-
net; po 10 milionach lat istniała już proto- nina, powstały zapewne z tetrameru cyja-
L ITERATURA
[8]. J. Llorka, Intern. Microbiol., 7, 239 (2004).
[10]. S.B. Jacobsen, Science, 300, 13 (2003).
[9]. J. Llorka, Intern. Microbiol., 8, 5 (2005).
[11]. A. Gibbons, Science, 300, 1641 (2003).
Chemia w Szkole
10
Nauka i technika
nowodoru pod działaniem wody i promie- mnijmy, że RNA może przejawiać właściwo-
niowania nadfioletowego; mogły one re- ści enzymatyczne, dlatego wymieniony ostat-
agować z wymienionymi ostatnio cukrami nio oligomer bywa traktowany jako model
i grupą fosforanową przekształcając się pierwszego enzymu prebiotycznego [13, 14].
w mononukleotydy, elementy strukturalne Inne pospolite minerały, illit i hydroksy-
kwasów nukleinowych. apatyt, znacznie ułatwiają kondensację ami-
Hydroliza bardziej złożonych oligome- nokwasów; na ich powierzchniach powstają
rów cyjanowodoru, zależnie od długości polipeptydy zbudowane z ponad 55 molekuł
łańcucha, prowadzi z kolei nawet do 14 wyjściowych [15]. Przemianę katalizuje rów-
aminokwasów białkowych [2]. Wiemy za- nież mieszany siarczek żelaza i niklu
tem, przynajmniej w zarysie, jak w warun- (Fe, Ni)S, piryt FeS2 oraz tlenek żelaza
kach prebiotycznych mogły zaistnieć związ- Fe3O4 [16], lecz, co ciekawe, szczególnie ak-
ki kojarzone zazwyczaj z organizmami tywnym katalizatorem okazał się tlenosiar-
żywymi. Mimo to, od wyjaśnienia powsta- czek węgla COS zawarty między innymi
wania choćby najbardziej prymitywnych w wyziewach wulkanicznych [17].
form życia jesteśmy nadal daleko. Chłodny bulion pierwotny, czy raczej go-
Zgodnie z popularną hipotezą, związki or- rąca zupa? To pytanie stawia przed nami
ganiczne, wśród nich aminokwasy i mononu- możliwość innej drogi ewolucji chemicznej,
kleotydy, rozpuszczone lub zawieszone w wo- wiodącej do zaistnienia pierwotnych form
dzie mórz, jezior oraz innych zbiorników życia; oto według koncepcji Golda [18] od-
stanowiły tzw. bulion pierwotny. To właśnie powiednie procesy nie przebiegały w tych
w owym bulionie miały powstawać niezbędne środowiskach, o których mówiliśmy dotąd,
do zaistnienia życia polimery, liczące co naj- lecz w warunkach hydrotermalnych, pod
mniej 30 60 jednostek monomerycznych. powierzchnią naszej planety. Badania labo-
Rzecz jednak w tym, że samorzutne two- ratoryjne wskazują na pewne prawdopodo-
rzenie się owych polimerów w fazie wodnej bieństwo takiej hipotezy. Już w jednej
nie jest praktycznie możliwe: z jednej strony z pierwszych prac stwierdzono, że w tempe-
procesy takie przebiegają bardzo wolno, raturze 350�C pod ciśnieniem ok. 10 atm.
z drugiej zaś konkurują z nimi zjawiska hy- z dwutlenku węgla i wody w obecności ma-
drolizy. Ale już stosunkowo dawno wiedzia- gnetytu jako katalizatora już po 3 godzi-
no, że kontakt aminokwasów z powierzchnią nach powstają z dobrą wydajnością aldehyd
niektórych minerałów (np. montmorylonitu, octowy, kwas octowy i alkohol etylowy [19].
jednego z podstawowych składników gliny) Z wodnych roztworów kwasu szczawio-
katalizuje powstawanie polipeptydów. wego i dwusiarczku węgla, wywiązującego
Ostatnio wykazano, że montmorylonit w śro- się, np. podczas erupcji wulkanów, w tem-
dowisku wodnym o pH 8 zawierającym jony peraturze 175�C otrzymano kilkanaście or-
magnezu umożliwia stosunkowo szybkie ganicznych związków siarki o budowie łań-
tworzenie się struktur typu RNA, zbudowa- cuchowej i cyklicznej; były wśród nich
nych z ponad 40 nukleotydów [12]. Wspo- pochodne o znaczeniu biologicznym [20].
L ITERATURA
[12]. J.P. Ferris, P.C. Joshi, K.J. Wang, S. Miyakawa, W. Huang, Adv. Space Res., 33, 100 (2004).
[13]. J.F. Orgel, Crit. Rev. Biochem. Molec. Biol., 39, 99 (2004).
[14]. G. Ertem, Orig. Life & Evol. Biosph., 34, 549 (2004).
[15]. J.P. Ferris, A.R. Hill, R.H. Liu, L.E. Orgel, Nature, 381, 59 (1996).
[16]. Q.W. Chen, C.L. Chen, Curr. Org. Chem., 9, 989 (2005).
[17]. L. Ceman, L. Orgel, M.R. Ghadiri, Science, 306, 283 (2004).
[18]. T. Gold, Gorąca podziemna biosfera, Adamantan, Warszawa, 1999.
[19]. Q.W. Chen, D.W. Bahnemann, J. Am. Chem. Soc., 122, 970 (2000).
[20]. A.I. Rushdi, B.R.T. Simoneit, Astrobiol., 5, 749 (2005).
2/2007
11
Nauka i technika
W warunkach hydrotermalnych tworzą li tzw. reakcja Braya, charakteryzuje się
się również aminokwasy [21, 22]; otrzymano z kolei stopniowo gasnącymi oscylacjami
je na przykład po poddaniu wyładowaniom stężenia HIO, jednego z produktów po-
elektrycznym mieszaniny dwutlenku węgla, średnich. Od mniej więcej czterdziestu lat
azotu i gorącej wody [23]. Wykazano, że wielu badaczy fascynuje reakcja Biełouso-
aminokwasy w gorącej wodzie zawierającej wa i Żabotyńskiego, przeprowadzana w kil-
tlenek węgla CO przekształcają się w poli- ku modyfikacjach metodycznych. W jednej
peptydy, z udziałem koloidalnego (Fe, Ni)S z nich, utlenienie i redukcję składników
jako katalizatora. Podlegają one kilku na- układu Ce4+/Ce3+ prowadzi się w wodnym
stępczym przemianom, prowadzącym roztworze siarczanu ceru, KBrO3, kwasu
do prekursora ureazy niklowej, enzymu malonowego i kwasu siarkowego, do które-
przyspieszającego rozkład mocznika w orga- go wprowadzono ferroinę jako wskaz
nik
nizmach żywych [24]. redox. Proces sumaryczny:
Wprawdzie jeszcze nie do końca rozu-
3BrO3 +5H2C(COOH)2 +3H+
miemy zagadnienie ewolucji chemicznej
3BrCH(COOH)2 + 2HCOOH +
materii we Wszechświecie, ale rozsądny
wydaje się wniosek, że jej przedłużeniem,
+ 3CO2 +5H2O
jak już wspomniano, powinna być ewolucja
biologiczna. W czym zatem upatrujemy jej przebiega w wielu stadiach, tylko w niektó-
początku? Wiemy, że w ramach kanonów rych uczestniczą jony ceru na obydwu stop-
klasycznej kinetyki chemicznej każda reak- niach utlenienia. W obecności nadmiaru ka-
cja zmierza monotonicznie do stanu rów- tionów Ce4+ ferroina przyjmuje barwę
nowagi: stężenie substratów jest ciągłą, niebieską; przechodzi ona w czerwoną po re-
malejącą funkcją czasu, stężenie produk- dukcji do Ce3+, dlatego w czasie postępu re-
tów  odpowiednią funkcją rosnącą. Kine- akcji obserwujemy periodyczne przejścia
tyka klasyczna nie wyjaśnia natomiast pe- między tymi zabarwieniami roztworów.
riodycznych przebiegów reakcji w układach Efektownym trójbarwnym oscylatorem che-
jednofazowych, a tymczasem... micznym jest układ Briggsa-Rauschera.
Wiele procesów biochemicznych, na Po zmieszaniu roztworów: KIO3, HClO4,
przykład niektóre reakcje enzymatyczne H2O2, kwasu malonowego, skrobi i MnSO4
i biosynteza pewnych białek, przebiega początkowo bezbarwna ciecz staje się nagle
z wyraz
nymi oscylacjami stężeń w czasie złocista, po kilku sekundach przyjmuje za-
[25]. Przemiana glukozy w kwas pirogrono- barwienie ciemnoniebieskie (skrobia + jod),
wy, jakże istotna dla oddychania komórko- po czym odbarwia się, znów żółknie, nie-
wego, zachodzi z udziałem dinukleotydu bieszczeje itd. Oscylacje stosunkowo szybko
nikotynamido-adeninowego NAD+. Pod- gasną, mimo to są naprawdę piękne [25].
lega on redukcji do NADH, po czym od- W języku termodynamiki reakcje oscyla-
twarza się forma wyjściowa, dlatego zmia- cyjne są uznawane za tzw. chemiczne struk-
ny stężenia NADH w czasie wykazują tury dyssypatywne; w tym formalizmie każ-
wyraz
ne oscylacje. Rozkład nadtlenku wo- dy proces nieodwracalny związany jest
doru w obecności kwasu jodowego(V), czy- z dyssypacją (rozpraszaniem) energii swo-
L ITERATURA
[21]. K. Severin, Angew. Chem., Intern. Ed., 39, 589 (2000).
[22]. B.R.T. Simoneit, Adv. Space Res., 33, 88 (2004).
[23]. K. Plankensteiner, H. Reiner, B.A. Rode, Molec. Divers., 10, 3 (2006).
[24]. C. Huber, W. Eisenreich, S. Hecht, G. W�chtersh�user, Science, 301, 938 (2003).
[25]. M. Orlik, Reakcje oscylacyjne. Porządek i chaos, WNT, Warszawa, 1996
Chemia w Szkole
12
Nauka i technika
bodnej, czyli z utratą możliwości wykony- którymi białkami (zespoły takie nazwano hy-
wania pracy użytecznej. Dzięki badaniom percyklami) umożliwia szczególnie wzmożo-
Prigogine a wiemy, że struktury takie mogą ną reprodukcję i zdolność do dalszej ewolu-
zaistnieć tylko w układach otwartych, cji [27]. Czy takie układy mogły zaistnieć
a więc przy nieustannej wymianie masy w warunkach prebiotycznych? Jednoznacz-
i energii z otoczeniem; elementem nie- na odpowiedz
nie jest raczej możliwa; wia-
zbędnym jest przy tym autokatalityczny domo natomiast, o czym wspomniano wyżej,
charakter przynajmniej jednego ze stadiów że powstawały wówczas przynajmniej frag-
przejściowych. Wydaje się, że wszystkie menty molekuł kwasów nukleinowych i do-
układy biologiczne spełniają te warunki; syć złożone polipeptydy. Dlatego hypercykle
można je zatem traktować jako struktury mogły odegrać rzeczywistą rolę w ewolucyj-
dyssypatywne, tworzące się na Ziemi w cią- nych przemianach materii.
głym strumieniu energii słonecznej [26]. Kilka lat póz
niej pojawiła się oryginalna
Mówiąc prościej, organizmy żywe funkcjo- koncepcja węgierskiego badacza Tibora
nują w stabilnych stanach odległych od G�ntiego [28]. Jej autor przedstawił anali-
równowagi, natomiast śmierć jest równo- zę kinetyczną pięciu reakcji składających
znaczna z osiągnięciem przez wszystkie re- się na samoreprodukujący się układ cy-
akcje przebiegające w tych organizmach kliczny, w którym każdy z procesów reali-
stanów równowagowych. Sprawą istotną zuje tylko jedną, ściśle określoną funk-
jest zatem poszukiwanie konkretnych przy- cję. I tak, w pierwszym z nich, substancja
kładów, na podstawie których koncepcja A1, kosztem pobieranego z otoczenia połą-
struktur dyssypatywnych umożliwi wyja- czenia X (analogia do odżywiania się ko-
śnienie powstawania życia za pomocą nauk mórki), przekształca się w A2:
przyrodniczych.
A1 +X A2
W latach siedemdziesiątych minionego
stulecia dużym zainteresowaniem cieszyła z którego, w kolejnym stadium, powstaje
się teoria samoorganizacji materii sformuło- A3 oraz produkt uboczny Y; ten ostatni od-
wana przez Manfreda Eigena. Jej model ma- powiada wydalanemu do otoczenia meta-
tematyczny opisywał zasady doboru i ewolu- bolitowi:
A2 A3 + Y
cji cząsteczek chemicznych na podstawie
kinetycznej analizy wzrostu populacji jed- Produktem kolejnej przemiany:
nych, kosztem drugich; niektóre z nich wyka-
A3 A4 +V
zywały zdolność do  reprodukcji , czyli
 mówiąc prościej  uczestniczyły w reak- jest cząsteczka-znak V, która, w wyniku poli-
cjach autokatalitycznych. Konkurencję wy- meryzacji, staje się podwaliną kodu gene-
grywały układy reprodukujące się możliwie tycznego. Czwarty proces prowadzi do mole-
szybko i wiernie, a ciekawym osiągnięciem kuł T; mogą one otoczyć cały układ tworem
modelowania było stwierdzenie, że owa przypominającym błonę komórkową
sprawność wzrasta z długością łańcucha mo-
A4 A5 + T
lekuł. Okazało się zarazem, że mechanizm
reprodukcji coraz bardziej przypomina funk- W końcu ostatnia reakcja
cjonowanie kodu genetycznego, że wreszcie
A5 2A1
oddziaływanie kwasów nukleinowych z nie-
L ITERATURA
[26]. B. Baranowski, Viva Origino, 9, 49 (1981).
[27]. M. Eigen, P. Shuster, The Hypercycle. A Principle of Natural Self- Organization, Springer Verlag, Berlin, 1979.
[28]. T. G�nti, Podstawy życia, Wiedza Powszechna, Warszawa, 1984.
2/2007
13
Nauka i technika
ilustruje reprodukcję substancji A1, od któ- produktu przemiany materii Y. Wytwa-
rej zaczęliśmy przytoczoną analizę. Prze- rza przy tym składnik błony komórkowej
miany te są etapami procesu cyklicznego T oraz monomer materiału genetyczne-
przedstawionego na Rys. 1, którego działa- go V,
nie opisuje równanie sumaryczne:  stabilność, co znaczy, że cykl reakcji mo-
że się odtworzyć z każdego składnika;
A1 +X 2A1 + V + T + Y
działa on przy tym tylko w jednym kie-
runku, wskazanym strzałką w równaniu
sumarycznym. Wynika to z ciągłego do-
starczania X oraz oddawania do otocze-
nia Y. Powstające molekuły T są wbudo-
wywane w otoczkę chemotonu, która
wywiera decydujący wpływ na stabilność
układu, chroniąc go przed niekorzystny-
mi wpływami zewnętrznymi,
 wytwarzanie systemu przenoszącego in-
formację genetyczną oraz wynikająca
stąd zdolność do samoreprodukcji.
Czym zatem jest chemoton? Czy to on
zapoczątkował ewolucję biologiczną mate-
rii? Na pewno możemy tylko powiedzieć, że
jest on abstrakcyjnym (a więc nie istnieją-
cym realnie) modelem chemicznym mini-
malnego systemu wykazującego cechy tworu
Rys. 1. Schemat chemotonu. Z substancji wyjściowej żywego. Co więcej, bywa on utożsamiany
(A1), kosztem pobieranego  pokarmu (X), powstaje wy-
z podstawową jednostką życia; tym samym
dalany do otoczenia  metabolit (Y), cząsteczki systemu
G�nti zarysował nowe granice komplikacji
informacyjnego (V), cząsteczki tworzące błonę (T) oraz
układów chemicznych, od których zaczyna
budulec własny (A1).
się życie. Nie mamy jednak nadal konkret-
nych informacji o tym, jak otrzymać sztucz-
Układ ten, nazwany chemotonem, wy- ną żywą komórkę w laboratorium, najlepiej
kazuje zadziwiające właściwości: spełnia on identyczną z tą pierwotną, sprzed niespełna
wszystkie kryteria wymagane przez G�ntie- czterech miliardów lat. Czy kiedykolwiek
go, uznane za charakterystyczne dla dowiemy się, jak powstała, jak wyglądała, ja-
wszystkich organizmów żywych, lecz nie ki miała metabolizm i materiał genetyczny?
spełniane przez jakikolwiek układ nieoży- A czy w ogóle musimy to wiedzieć? No cóż,
wiony. Są to: byłaby to wiedza na pewno fascynująca.
 niepodzielna całość, a to znaczy, że żad-
na część składowa chemotonu nie wyka-
zuje cech życia; przejawia je tylko cały
chemoton,
MAREK K. KALINOWSKI
 metabolizm; chemoton pobiera od oto-
Jest profesorem w Wydziale Chemii
czenia  pokarm X i metabolizuje go,
Uniwersytetu Warszawskiego.
z wydzieleniem energii, do zbędnego
Chemia w Szkole
14