אמנים ומדענים כאחד חשבו זמן רב על הופעתו של כדור הארץ לפני מיליארדי שנים, מה שהוביל לביצועים אמנותיים חיים וחקירות מדעיות קפדניות על תנאיו המוקדמים. מחקר חדש מדגיש את תפקידה החמקמק של הגופרית בכימיה הפרה-ביוטית של כדור הארץ, מה שמצביע על כך שהבנת התנהגותו במימי כדור הארץ ובאטמוספרה המוקדמים היא חיונית לפיתוח מקורות החיים, למרות האתגרים שמציבים התהליכים הגיאולוגיים הדינמיים של כדור הארץ והתגובות המורכבות של תרכובות גופרית.
מחקר בראשות אוניברסיטת אריזונה מדגיש את הגופרית, יסוד כימי מוכר נרחב, שהתריס בצורה מסקרנת נגד ניסיונות מדעיים להבין את תפקידו במקור החיים.
אמנים רבים ניסו לתאר איך כדור הארץ היה נראה לפני מיליארדי שנים, לפני שהחיים הופיעו. סצינות רבות מחליפות הרים מכוסי שלג עבור הרי געש שוצפי לבה ושמים כחולים עבור ברקים המפוצצים את מה שמתחת משמים מעורפלים.
אבל איך נראה כדור הארץ המוקדם? שאלה זו הייתה נושא למחקר מדעי אינטנסיבי במשך עשרות שנים.
פרסום בראשות סוקריט רנג'אן, עוזר פרופסור במעבדת הירח והכוכבים של אוניברסיטת אריזונה, מאיר זרקור על גופרית, יסוד כימי שאמנם הכל מוכר, אך הוכיח את עצמו כעמיד באופן מפתיע למאמצים מדעיים בבדיקת תפקידו במקורו של חַיִים.
"התמונה שלנו של כדור הארץ הקדום היא די מטושטשת", אמר רנג'אן, שחוקר את ריכוזי הגופרית במימי כדור הארץ ובאטמוספרה המוקדמים. אותם תהליכים שהופכים את כוכב הלכת שלנו למגורים – מים נוזליים וטקטוניקת הלוחות – הורסים ללא הרף את הסלעים המחזיקים בשיא הגיאולוגי של כדור הארץ, הוא טוען. "זה נהדר עבורנו כי הוא ממחזר חומרים מזינים שאחרת היו נעולים בקרום כדור הארץ, אבל זה נורא עבור גיאולוגים במובן זה שהוא מסיר את השליחים."
פורסם בכתב העת AGU מתקדמים בדצמבר, העיתון של רנג'אן נבחר כגולת הכותרת של העורך, מתוך הכרה ב"ניסויים שהיו קשים ביותר לביצוע אך מספקים אילוצים לניסויים מתמשכים בכימיה פרה-ביוטית במעבדה".
בבסיס המאמצים להסיט את המסך על הופעת החיים על פני כדור הארץ היה מושג המכונה "RNA עולם," אמר רנג'אן בהתייחסו לריבונוקלייק חוּמצָהסוג של מולקולות שנמצאות בכל תא חי ומכריעות לחיים כפי שאנו מכירים אותם.
השערת עולם ה-RNA מבוססת על תכונה מעניינת של הביולוגיה המודרנית, שהיא זו של ארבע הקטגוריות העיקריות של ביו-מולקולות – חומצות אמינו, פחמימות, שומנים וחומצות גרעין – RNA הוא היחיד שיכול לבצע את תפקיד האנזים ואת האחסון והשכפול של מידע גנטי, על ידי יצירת עותקים של עצמו, לגמרי לבד. יש רק בעיה אחת: זה ממש קשה להכנה.
"במשך כ-50 שנה, אנשים ניסו להבין איך מייצרים RNA ללא אנזימים, וזו הדרך שבה הביולוגיה עושה את זה", אמר רנג'אן והסביר שרק בחמש השנים האחרונות החוקרים גילו מסלולים לא אנזימטיים לעשות RNA.
"אם נוכל להשיג RNA, אז באופק הרחוק אנו רואים מסלול להפעיל את כל השאר", אמר. "וזה מעלה את השאלה: האם המולקולה הזו הייתה זמינה קודם לכן בכמויות כלשהן? וזו למעשה שאלה פתוחה מרכזית".
לאחרונה, מדענים השלימו מסע של חצי מאה ליצור מולקולות RNA ללא אנזימים ביולוגיים, צעד ענק קדימה להדגמת עולם ה-RNA. עם זאת, המסלולים הכימיים הללו מסתמכים כולם על מולקולת גופרית קריטית, הנקראת סולפיט. על ידי מחקר של דגימות סלעים מכמה מהסלעים העתיקים ביותר בכדור הארץ, מדענים יודעים שיש הרבה גופרית להסתובב בכדור הארץ הפרה-ביוטי המוקדם. אבל כמה מזה היה באווירה? כמה ממנו הגיע למים? וכמה ממנו הסתיים כסולפיט המייצר RNA? אלו השאלות רנג'אן והצוות שלו יצאו לענות.
"ברגע שהוא במים, מה קורה לזה? האם זה נשאר לאורך זמן, או שהוא חולף מהר?" הוא אמר. "עבור כדור הארץ המודרני, אנחנו יודעים את התשובה – סולפיט אוהב להתחמצן, או להגיב עם חמצן, אז זה יעבור מהר מאוד."
לעומת זאת, כפי שמצביעות על ראיות גיאולוגיות, היה מעט מאוד חמצן באטמוספירה של כדור הארץ הקדומה, מה שהיה יכול לאפשר לסולפיט להצטבר ולהימשך זמן רב יותר. עם זאת, גם בהיעדר חמצן, הסולפיט הוא מאוד תגובתי, ותגובות רבות היו יכולות לשפשף אותו מסביבת כדור הארץ המוקדמת.
תגובה אחת כזו ידועה כחוסר פרופורציה, תהליך שבו מספר סולפיטים מגיבים זה עם זה, והופכים אותם לסולפט וגופרית יסודית, שאינם שימושיים לכימיה של מקור החיים. אבל כמה מהיר התהליך הזה? האם זה היה מאפשר להצטבר כמויות מספיקות של סולפיטים כדי להניע את החיים?
"אף אחד לא באמת בדק את זה לעומק מחוץ להקשרים אחרים, בעיקר ניהול שפכים", אמר רנג'אן.
הצוות שלו יצא לחקור את הבעיה הזו בתנאים שונים, מאמץ שלקח חמש שנים מתכנון הניסויים ועד לפרסום התוצאות.
"מכל האטומים שמכילים את המספנה הפרה-ביוטית, כולל פחמן, מימן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית, גופרית היא אולי הקוצנית ביותר", כתב סוני הרמן נאס"אמרכז המחקר של איימס, במאמר נקודת מבט המלווה את הפרסום. בגלל הלהיטות שלה להיכנס לתגובות כימיות, "תרכובות גופרית נוטות להיות לא יציבות יותר, מהוות סכנות לצוות ולציוד המעבדה, חוסמות את המכשור ומגבירות ניסויים".
סיוט של טכנאי מעבדה
בהתקנה שלהם, רנג'אן ושותפיו המסו סולפיט במים ברמות שונות של חומציות או בסיסיות, נעלו אותו לתוך מיכל תחת אטמוספרה נטולת חמצן, ונתנו לו "להתיישן", כפי שניסח זאת רנג'אן. מדי שבוע, הצוות מדד את הריכוזים של סולפיטים שונים באור אולטרה סגול. בסוף הניסוי, הם העבירו אותם לסדרה של ניתוחים, כולם נועדו לענות על שאלה פשוטה יחסית, הוא אמר: "בדיוק כמה מהמולקולה המקורית הזו נשאר, ולמה זה הפך?"
הסולפיטים, כך התברר, אינם פרופורציונליים הרבה יותר איטיים ממה שהחזיקה החכמה המקובלת. מחקרים קודמים, למשל, הציפו את הרעיון של אובך גופרית האופף את כדור הארץ המוקדם, אבל הצוות של רנג'אן מצא שסולפיטים מתפרקים תחת אור אולטרה סגול מהר מהצפוי. בהיעדר שכבת אוזון בימיו הראשונים של כדור הארץ, תהליך זה, המכונה פוטוליזה, היה מנקה במהירות תרכובות גופרית מהאטמוספירה ומהמים, אם כי לא ממש ביעילות כמו החמצן השופע בעולם של היום.
למרות שזה סביר שחוסר פרופורציה איטי יכול היה לאפשר לסולפיטים להצטבר, פוטוליזה הייתה הופכת את זה לבלתי סביר מאוד למעט בסביבות מסוימות כמו בריכות מים רדודים, מוצלות מקרינת UV, במיוחד אם ניזונה מנגר עילי כדי לספק מגנים מינרליים. דוגמאות כוללות בריכות תת קרקעיות או אגמי פחמתי אגנים סגורים, שקעים ללא ניקוז שבהם מצטברים משקעים אך מים יכולים לצאת רק על ידי אידוי.
"תחשוב על גופי מים כמו אגם המלח הגדול ביוטה או אגם מונו בקליפורניה," אמר רנג'אן והוסיף כי סביבות הידרותרמיות מופיעות כמועמדות חמות להופעה הראשונה של החיים. כאן, מי תהום הנושאים מינרלים מומסים באים במגע עם חום מפעילות וולקנית, ויוצרים מיקרו-סביבות ייחודיות המציעות "מרחבים בטוחים" לתהליכים כימיים שלא יכלו להתרחש במקומות אחרים.
מקומות כאלה ניתן למצוא ברכסים של אמצע האוקיינוס בים העמוק, אך גם ביבשה, אמר רנג'אן.
"דוגמה מודרנית לכך היא הפארק הלאומי ילוסטון, שבו אנו מוצאים בריכות שצוברות הרבה סולפיט, למרות החמצן", אמר, "וזה יכול לקרות רק בגלל שהסולפיט מתחדש ללא הרף על ידי יציאת גזים געשית".
המחקר מספק הזדמנויות לבחון את ההשערה של זמינות סולפיט באבולוציה של מולקולות החיים הראשונות בניסוי, מציינים המחברים. רנג'אן אמר שתחום מחקר אחד במיוחד מרגש אותו – מיקרוביולוגיה פילוגנטית, המשתמשת בניתוח גנום כדי לשחזר את השרטוטים של מיקרואורגניזמים המשתמשים בגופרית, שלדעתם מייצגים את הפילות העתיקות ביותר על פני כדור הארץ.
ישנן עדויות לכך שחיידקים אלה צוברים אנרגיה על ידי הפחתת צורות חמצון מאוד של גופרית לאלו פחות מחומצנות. באופן מסקרן, ציין רנג'אן, הם תלויים במנגנון אנזימים מורכב למדי בשלב הראשון, הפחתת הסולפט, הצורה ה"מודרנית" השופעת של גופרית, לסולפיט, מה שמרמז כי אנזימים אלו הם תוצר של תהליך אבולוציוני ארוך. לעומת זאת, רק אנזים אחד מעורב בהמרה מסולפיט – המרכיב המרכזי המוצע ב"סביבות שלוליות פרה-ביוטיות" – לסולפיד.
"אם זה נכון, זה מרמז שסולפיט היה קיים בסביבה הטבעית לפחות בחלק מגופי מים, בדומה למה שאנחנו טוענים כאן", אמר. "גיאולוגים רק עכשיו פונים לזה. האם נוכל להשתמש בסלעים עתיקים כדי לבדוק אם הם עשירים בסולפיט? אנחנו עדיין לא יודעים את התשובה. זה עדיין מדע חדשני".
המחקר מומן על ידי קרן סימונס, מענק מלגת האבל של נאס"א, המכון למדע טלסקופ החלל והחטיבה הלאומית למדע של קרן כדור הארץ של ארה"ב.
