Δημιουργία: Ζωή και Στοιχεία

Transcript

1 Δημιουργία: Ζωή και Στοιχεία Η προσπάθεια μας δεν είναι να δούμε τη ζωή σαν μια αφηρημένη έννοια, αλλά να την ορίσουμε ως μετάβαση από την ανόργανη στην οργανική ύλη. Προσπερνώντας τις απόψεις των φιλοσόφων, από την αρχαία Ελλάδα ως και τις αρχές του 20 ου αιώνα, ένας εύστοχος ορισμός της ζωής είναι αυτός που δόθηκε από τον Γερμανό φυσικοχημικό Manfred Eigen, που λέει ότι η ζωή είναι μια δυναμική κατάσταση της ύλης, οργανωμένη με πληροφορία και εξελίσσεται με βάση τον μηχανισμό της φυσικής επιλογής. Πιο πρόσφατα οι Benner et al (2004) εργάστηκαν για την καταγραφή των απαραίτητων προϋποθέσεων για την ανάπτυξη ζωής, όχι μόνο στη Γη, αλλά παντού στο σύμπαν. Οι δύο σημαντικότερες προϋποθέσεις φαίνεται πως είναι η έλλειψη θερμοδυναμικής ισορροπίας και η κατάλληλη θερμοκρασία. Από τη θερμοδυναμική γνωρίζουμε ότι ένα σύστημα σε ισορροπία είναι ένα νεκρό σύστημα, διότι ούτε προσλαμβάνει ούτε και παράγει ενέργεια. Είναι φανερό ότι ένας ζωντανός οργανισμός πάντοτε ασχολείται με κάτι, δηλαδή, είτε κινείται είτε αναπαράγεται είτε μεταβολίζει τροφές κ.ο.κ. Πρόκειται για ένα σύστημα που απέχει πολύ από την θερμοδυναμική ισορροπία και γι αυτό n ζωή μπορεί να αντλεί την ενέργεια που χρειάζεται για να υπάρχει, τουλάχιστον στη Γη. Εξετάζοντας την καταλληλότητα της θερμοκρασίας για την δημιουργία ζωής και για τη σταθερότητα των απαραίτητων χημικών δεσμών, παρατηρούμε ότι στις θερμοκρασίες που επικρατούν στον πλανήτη μας είναι σταθεροί τόσο οι ομοιοπολικοί δεσμοί (κυρίως μεταξύ ατόμων άνθρακα), όσο και οι δεσμοί υδρογόνου, που αναπτύσσονται όταν αυτό παρεμβάλλεται μεταξύ δύο ηλεκτροαρνητικών ατόμων. Εύκολα αντιλαμβανόμαστε ότι, αν δεν υπήρχαν οι ομοιοπολικοί δεσμοί, δεν θα υπήρχαν όλες αυτές οι οργανικές ενώσεις με τις οποίες είναι συνυφασμένη η ζωή. Όσον αφορά τους δεσμούς υδρογόνου, το νερό, ο διαλύτης μέσα στον οποίο αναπτύσσεται και υπάρχει η ζωή στη Γη, δεν θα είχε τις ιδιότητες που έχει και το πιθανότερο είναι ότι δεν θα ήταν ικανός διαλύτης για τη στήριξη του φαινομένου της ζωής. Επιπλέον, χωρίς τους δεσμούς υδρογόνου θα έχανε τη σταθερότητα του το μόριο του DNA, το κλειδί στο μηχανισμό που μεταφέρει την πληροφορία από γενιά σε γενιά. Οι έννοιες της θερμοδυναμικής ισορροπίας και της κατάλληλης θερμοκρασίας μας οδηγούν στη μελέτη των χαρακτηριστικών της ατμόσφαιρας. Στον αρχαϊκό κόσμο, προτού γίνει η διάχυση του υδρογόνου στο διάστημα, η ατμόσφαιρα της Γης ήταν σίγουρα αναγωγική και αργότερα έγινε λιγότερο αναγωγική, ως και ουδέτερη. Η προτεινόμενη αναγωγική ατμόσφαιρα θα μπορούσε να έχει κάποιες ομοιότητες με την ατμόσφαιρα του Τιτάνα, η οποία περιέχει 5-10 % CH 4, 1% ή λιγότερο NH 3, και 1

2 από το υπόλοιπο ποσοστό κυρίως N 2, H 2 O και CO 2. Ο Τιτάνας, που είναι ο μεγαλύτερος δορυφόρος του Κρόνου, χρησιμοποιείται ως μοντέλο των συνθηκών που υπήρχαν στην προβιοτική Γη. Αναμένεται ότι το Ν 2 στον Τιτάνα και πιθανόν στην προβιοτική Γη, σχηματίστηκε από φωτόλυση της ΝΗ 3. Η ουδέτερη ατμόσφαιρα που προτάθηκε, είναι αυτή που περιέχει κυρίως CO 2, N 2 και Η 2 Ο. Η κύρια δύναμη που προκαλούσε τις αλλαγές στην ατμόσφαιρα της προβιοτικής Γης (όπως τώρα γίνεται στον Τιτάνα) ήταν η υπεριώδης ακτινοβολία, με τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια και τις αστραπές να συμμετέχουν σε μικρότερο βαθμό. Γενικότερα οι πηγές ενεργείας που ήταν παρούσες και συνέβαλαν στην χημική εξέλιξη που συντελέστηκε στην πρωταρχική Γη πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια είναι: 1. Η ηλιακή ακτινοβολία (κυρίως λόγω της έλλειψης του προστατευτικού στρώματος του όζοντος) 2. Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις 3. Οι κοσμικές ακτίνες 4. Ο ηλιακός άνεμος 5. Τα παλιρροιακά κύματα 6. Τα ηφαίστεια 7. Η ραδιενέργεια (οφειλόμενη κυρίως στα νουκλίδια 238 U, 235 U, 232 Th και 40 Κ). Εικόνα : Πηγές ενέργειας για τη σύνθεση μορίων στην ατμόσφαιρα της Γης κατά την χρονική περίοδο της εμφάνισης. Οι πηγές ενέργειας με τη μεγαλύτερη αποδοχή μεταξύ των ερευνητών και οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν πιο συχνά σε πειράματα προβιοτικής χημείας είναι η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία και οι ηλεκτρικές εκκενώσεις. Βεβαίως, αν και η υπεριώδης ακτινοβολία ήταν 100 φορές περισσότερη από όλες τις άλλες μαζί, δεν σημαίνει ότι συνέβαλε τόσο περισσότερο στην προβιοτική σύνθεση ουσιών, αφού πιθανόν να ήταν λιγότερο αποτελεσματική. Επί 2 δισεκατομμύρια χρόνια, οι βακτηριακοί οργανισμοί ήταν οι μόνες μορφές ζωής πάνω στη γη. Ζούσαν, αναπαράγονταν, πλήθαιναν, δεν έδειχναν όμως καμία διάθεση να ανέλθουν σε ανώτερο επίπεδο ύπαρξης. Κάποια στιγμή, στο πρώτο δισεκατομμύριο χρόνων ύπαρξης της ζωής πάνω στη Γη, τα κυανοβακτήρια ή γαλαζοπράσινα φύκια έμαθαν να αντλούν από μια σχεδόν ανεξάντλητη πηγή το 2

3 υδρογόνο, που υπάρχει σε τεράστιες ποσότητες μέσα στο νερό. Απορροφούσαν μόρια νερού, τρέφονταν με το υδρογόνο και απελευθέρωναν το οξυγόνο ως απόβλητο. Με αυτό τον τρόπο εφεύραν τη φωτοσύνθεση. Όπως έγραψαν οι Lynn Margulis και Dorion Sagan, «η φωτοσύνθεση είναι, αναμφίβολα, η σημαντικότερη μεμονωμένη μεταβολική καινοτομία στην ιστορία της ζωής του πλανήτη», και επινοήθηκε όχι από τα φυτά, αλλά από βακτήρια. Καθώς τα κυανοβακτήρια αυξάνονταν, ο κόσμος άρχιζε να πλημμυρίζει από Ο 2 προς μεγάλη απογοήτευση των οργανισμών, για τους οποίους ήταν δηλητηριώδες σχεδόν για όλους δηλαδή εκείνη την εποχή. Το οξυγόνο ήταν πιο αποτελεσματικό στην παραγωγή ενέργειας, ενώ εξαφάνιζε τους ανταγωνιστικούς οργανισμούς που δεν μπορούσαν να το χρησιμοποιήσουν. Ορισμένοι από αυτούς κατέφυγαν στον υγρό, αναερόβιο κόσμο των βάλτων και των πυθμένων των λιμνών, αλλά οι περισσότεροι εξαφανίστηκαν. Εικόνα: Ο εμπλουτισμός του περιβάλλοντος με οξυγόνο αποτέλεσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση ποικιλίας αερόβιων βακτηρίων αρχικά και πολύ πιο σύνθετων οργανισμών αργότερα 3

4 Η Μεγάλη Έκρηξη Για να κατανοήσουμε καλύτερα το φαινόμενο της ζωής, ας εξετάσουμε τον κόσμο στον οποίο αυτή εμφανίστηκε και εξελίχθηκε. Ήδη από τις αρχές του 20 ου αιώνα είχε παρατηρηθεί από τον Vesto Slipher ότι οι κοντινοί μας γαλαξίες (τότε αντιληπτά απλώς ως ακαθόριστα νέφη) απομακρύνονται σταδιακά από το δικό μας. Στη συνέχεια, μέσω της αναλυτικής σκέψης του Alexander Friedmann ή των επίμονων παρατηρήσεων του Edwin Hubble, ο Βέλγος μοναχός και αστρονόμος Georges Lemaitre κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Χρησιμοποιώντας μάλιστα αντίστροφη συλλογιστική, πρότεινε πως σε κάποια πολύ απομακρυσμένη χρονικά εποχή στο παρελθόν όλοι οι γαλαξίες ήταν συμπιεσμένοι μεταξύ τους. Ολόκληρο το σύμπαν, το σύνολο δηλαδή της ύλης και της ενέργειας που αυτό περιέχει, ήταν συγκεντρωμένο σε μία περιοχή-σημείο, καταλαμβάνοντας ελάχιστο όγκο (ιδιάζον σημείο). Αργότερα στη θεωρία αυτή προστέθηκε η έννοια της «παγκόσμιας έκρηξης», ένα φαινόμενο δημιουργίας χωρίς γνωστό αίτιο, που προκάλεσε το ξεκίνημα της διαστολής του σύμπαντος, αλλά προπάντων την έναρξη του χρόνου και την δημιουργία του χώρου. Η έκρηξη αυτή αναφέρεται ως η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Η Μεγάλη Έκρηξη λοιπόν είναι μία κοσμολογική θεωρία σύμφωνα με την οποία το σύμπαν δημιουργήθηκε από μια υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι η πιο διαδεδομένη αυτή τη στιγμή στην επιστημονική κοινότητα. Ο όρος «Big Bang» χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Fred Hoyle σε μια ραδιοφωνική εκπομπή του BBC, το κείμενο της οποίας δημοσιεύτηκε το Ο Hoyle δεν χρησιμοποίησε τον όρο για να περιγράψει μία θεωρία, αλλά για να ειρωνευτεί τη νέα ιδέα που κέρδιζε έδαφος. 4

5 Τις δεκαετίες του 20 και του 30 οι περισσότεροι επιστήμονες που ασχολούνταν με την κοσμολογία πίστευαν ότι το σύμπαν δημιουργήθηκε και παραμένει σταθερό. Η εργασία του Hubble είχε ήδη δώσει μία βάση, όπου στηρίχθηκε η νέα θεωρία, αλλά χρειαζόντουσαν και περισσότερα στοιχεία ώστε αυτή να αναπτυχθεί. Μετά το τέλος του Δεύτερου Παγκόσμιου Πόλεμου ο Ralph Alpher υπό την καθοδήγηση του George Gamow δημοσίευσε την εργασία με τίτλο The Origin of Chemical Elements (1948), όπου πραγματευόταν το σχηματισμό των πρώτων ελαφρών στοιχείων και τη συγκέντρωση στην οποία θα έπρεπε αυτά να υπακούουν. Κατόπιν, την ίδια χρονιά, ο Alpher μαζί με τον Robert Herman προβλέπουν την ύπαρξη μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, μια κοσμική ακτινοβολία απομεινάρι της Μεγάλης Έκρηξης, η ύπαρξη της οποίας επιβεβαιώθηκε αρκετά χρόνια αργότερα. Έτσι η θεωρία του Lemaitre ισχυροποιήθηκε και έφτασε ο καιρός να βαπτιστεί από τον Hoyle, έστω και άθελά του. Η πιο πρόσφατη πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας ανακοινώθηκε στις 17 Μαρτίου του Ερευνητές, αναλύοντας δεδομένα από το τηλεσκόπιο BICEP2, κατέληξαν σε δεδομένα που υποστηρίζουν τη θεωρία του πληθωρισμού, τον τρόπο που επεκτάθηκε το νεαρό τότε σύμπαν. Ο αμερικανός κοσμολόγος Sean Carroll συνέκρινε τη συμβολή αυτών των δεδομένων στην κατανόηση του σύμπαντος με την ανακάλυψη ζωής σε άλλους πλανήτες. Παρ όλες τις επιβεβαιώσεις, η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αφήνει και κάποια φυσικά και φιλοσοφικά ερωτήματα αναπάντητα, κυριότερο των οποίων είναι: τι υπήρχε πριν και πώς από το τίποτα προήλθαν τα πάντα; Σίγουρα δεν μπορούμε να υπολογίσουμε τι υπήρχε πριν, μιας και οι σύγχρονες θεωρίες των επιστημόνων είναι ικανές να μας οδηγήσουν προς το παρελθόν μέχρι και τη χρονική στιγμή δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και όχι νωρίτερα, στο μηδέν. Με αφετηρία λοιπόν την πρώτη φωτογραφία που μπορούμε να περιγράψουμε, η δημιουργία του κόσμου ακολουθεί την εξής γενική πορεία: sec, χρόνος Planck κυριαρχεί η ακτινοβολία και οι τέσσερις βασικές δυνάμεις αλληλεπίδρασης έχουν μία ενιαία μορφή σύντομα θα διαχωριστούν η θερμοκρασία είναι της τάξης των Kelvin sec, εποχή πληθωρισμού το σύμπαν διαστέλλεται εκθετικά, ακόμη πάντως έχει διάμετρο μικρότερη του ενός εκατοστού θερμοκρασία Κ. 5

6 sec, εποχή των κουάρκς τα στοιχειώδη ωματίδια αποκτούν μάζα, αλλά η θερμοκρασία, της τάξης των Κ, είναι ακόμη πολύ υψηλή για την πραγματοποίηση κάποιας ένωσης. Εικόνα: Η εξέλιξη του σύμπαντος από το Big Bang (αριστερά) 10-6 sec 3 min, διακρίνονται πλέον τα νετρόνια, πρωτόνια, ηλεκτρόνια και νετρίνο θερμοκρασία Κ. 3 min 15 min, πυρηνογένεση σχηματίζονται οι ελαφρείς πυρήνες δευτέριο, τρίτιο και ήλιο-4 σε θερμοκρασία 10 9 Κ. 15 min χρόνια, επανασύνδεση σύζευξη ελεύθερων ηλεκτρονίων με πυρήνες και σχηματισμός ουδέτερων ατόμων το σύμπαν γίνεται διαφανές στη θερμική ακτινοβολία και τα φωτόνια ταξιδεύουν ανεμπόδιστα κάποια από αυτά τα ανιχνεύουμε σήμερα ως μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου θερμοκρασία Κ. 1 δισεκατομμύριο χρόνια, σχηματισμός αστέρων αέρια συμπυκνώνονται σε αστέρες η πίεση στο εσωτερικό τους αυξάνει τη θερμοκρασία ώστε αρχίζουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις H, He και Li συντήκονται σε βαρύτερα στοιχεία η θερμοκρασία του σύμπαντος έχει φτάσει τα 50 Κ και συνεχίζει να μειώνεται μέχρι τα περίπου 3 Κ που μετράμε σήμερα. 9 δισεκατομμύριο χρόνια, σχηματίζεται το ηλιακό σύστημα. 6

7 Πανσπερμία Ίσως η ζωή να μην άρχισε στη Γη, αλλά να παρουσιάστηκε εδώ ερχόμενη από κάπου αλλού στο διάστημα, μια ιδέα γνωστή ως «πανσπερμία». Ζωή υπάρχει, εξ όσων γνωρίζουμε, μόνο στον πλανήτη μας. Οι τεράστιες αποστάσεις λειτουργούν αποτρεπτικά στο να μιλήσουμε με βεβαιότητα για τόπους πέραν του ηλιακού συστήματος, αλλά γίνονται έρευνες για τον εντοπισμό μορφών ζωής ή του κατάλληλου περιβάλλοντος όπου θα μπορούσε να αναπτυχθεί ζωή. Αν κάνετε μια λίστα όλων των χημικών ουσιών που χρειάζονται για να δημιουργηθεί ζωή, όλες βρίσκονται στο διάστημα λέει ο αστροβιολόγος Max Bernstein του κέντρου ερευνών της ΝΑSA Ames και του Ινστιτούτου SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) και προσθέτει: Μοιάζει απίθανο να πρόκειται για σύμπτωση. Πέρα από τις θρησκευτικές και φιλοσοφικές αντιλήψεις, η θεωρία της πανσπερμίας επιχειρεί να ερμηνεύσει την προέλευση της ζωής στη Γη (χωρίς να επιχειρεί να ερμηνεύσει τη γέννηση της ζωής στο Σύμπαν), βασιζόμενη στην αρχή ότι η ζωή υπάρχει παντού στο Διάστημα και μεταφέρεται διαμέσω του αχανούς χώρου. Οι μηχανισμοί της πανσπερμίας βασίζονται στη μεταφορά της βιολογικής ύλης είτε μέσω της γαλαξιακής σκόνης, η οποία μπορεί να ταξιδέψει στο χώρο λόγω της πίεσης της ακτινοβολίας των γειτονικών άστρων, είτε μέσω του γαλαξιακού ταξιδιού αστεροειδών ή κομητών, οι οποίοι φέρουν μικροοργανισμούς ικανούς να επιβιώσουν στις ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας, πίεσης και ακτινοβολίας που επικρατούν στο αφιλόξενο Σύμπαν. Από αναλύσεις υλικών των μετεωριτών, δειγμάτων από σεληνιακά πετρώματα και από ραδιοφασματικές αναλύσεις του 7

8 διαστρικού χώρου, διαπιστώθηκε η παρουσία οργανικών μορίων και εκτός Γης, γεγονός που αποτέλεσε τη βάση για τη διατύπωση εναλλακτικών υποθέσεων για την εμφάνιση της ζωής στον πλανήτη μας. Η πρώτη γνωστή αναφορά στην πανσπερμία γίνεται από τον αρχαίο Έλληνα φιλόσοφο Αναξαγόρα, αλλά η θεωρία του Αριστοτέλη για αυθόρμητη γένεση επικράτησε για περισσότερο από 2000 χρόνια. Το 1864 ο γάλλος χημικός Louis Pasteur ανακοίνωσε τα σπουδαία πειράματα του, που κατέρριπταν την αυθόρμητη γένεση όπως την φαντάζονταν μέχρι τότε. Αργότερα ο λόρδος Kelvin διατύπωσε την άποψη ότι η πρόσφατη σχετικά δημιουργία της Γης δε θα μπορούσε να επιτρέψει μια αργή εξελικτική πορεία από την ανόργανη ύλη μέχρι το σχηματισμό των πρώτων κυττάρων. Εναλλακτικά πρότεινε την προέλευση της ζωής από το Διάστημα. Καλλιεργώντας την παραπάνω υπόθεση ο Svante Arrhenius διατύπωσε το 1908 τη θεωρία της Πανσπερμίας (Κοσμική Σπορά, "Πλανητική Πανσπερμία") σύμφωνα με την οποία οι μικροοργανισμοί ταξιδεύουν στο διάστημα και αναπτύσσονται σε κάθε κατάλληλο πλανήτη στον οποίο τυχαίνει να πέσουν. Στα χρόνια που ακολούθησαν προτάθηκαν αρκετές καινούργιες εκδοχές της αρχικής θεωρίας (Hoyle και Wickramasinghe, 1978, 1979, 1981: "Κοσμική Πανσπερμία", Crick, 1981: "Κατευθυνόμενη Πανσπερμία"). Κατόπιν, δύο βρετανοί αστρονόμοι, ο Fred Hoyle και ο Chandra Wickramasinghe, πρότειναν ότι οι κομήτες μπορούν να μεταφέρουν σπόρια ζωής από το ένα αστρικό σύστημα στο άλλο. Εάν η ουρά ενός τέτοιου κομήτη, που φέρει ζωή, μπορούσε να «αγγίξει» τη Γη και να αφήσει μερικούς από τους παγωμένους μικροοργανισμούς του στην ατμόσφαιρα, τότε κάποιοι από αυτούς θα μπορούσαν να φτάσουν στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Οι δύο αστρονόμοι τόλμησαν να ισχυριστούν ότι αυτό το γεγονός θα πρέπει να ήταν η έναρξη της ζωής πάνω στη Γη. 8

9 Ενδείξεις και πειράματα επιβεβαίωσης Η ιδέα ότι η ζωή στη Γη ενδέχεται να ήρθε από το διάστημα έχει μια εντυπωσιακά μακρά και, συχνά, ενδιαφέρουσα ιστορία. Ωστόσο, η ιδέα παρέμενε περιθωριακή ώσπου μια Κυριακή, τον Σεπτέμβριο του 1969, δεκάδες χιλιάδες αυστραλοί προβληματίστηκαν από μια σειρά έντονων ήχων και τη θέα μιας πύρινης σφαίρας που διέσχιζε τον ουρανό. Το αντικείμενο εξερράγη πάνω από το Murchison, μια κωμόπολη εξακοσίων κατοίκων βόρεια της Μελβούρνης, και κατέπεσε με τη μορφή βράχων, ορισμένοι από τους οποίους ζύγιζαν έως και πέντε κιλά. Ο μετεωρίτης ανήκε σε έναν σπάνιο τύπο που ονομάζεται «ανθρακοφόρος Εικόνα: Η λάμψη ενός μετεωρίτη καθώς εισέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης. χονδρίτης». Ήταν η καταλληλότερη στιγμή: λιγότερο από δυο μήνες νωρίτερα, οι αστροναύτες του Apollo 11 είχαν επιστρέψει στη Γη με αρκετούς σεληνιακούς λίθους. Έτσι, τα εργαστήρια ανά τον κόσμο ήταν προετοιμασμένα - στην πραγματικότητα, διψασμένα- να εξετάσουν πετρώματα εξωγήινης προέλευσης. Ο μετεωρίτης του Murchison αποδεδείχθηκε πως είχε ηλικία 4,5 δισεκατομμυρίων ετών και ήταν γεμάτος αμινοξέα- εβδομήντα τέσσερις διαφορετικούς τύπους, οκτώ από τους οποίους συμμετέχουν στη δημιουργία γήινων πρωτεϊνών. Στα τέλη του 2001, περισσότερο από τριάντα χρόνια μετά την πτώση του, μια ομάδα ερευνητών από το ερευνητικό κέντρο Ames της Καλιφόρνιας ανακοίνωσε ότι ο μετεωρίτης Murchison περιείχε επίσης περίπλοκες αλυσίδες σακχάρων, τις πολυόλες, που δεν είχαν έως τότε ανακαλυφθεί έξω από τη Γη. Από τότε, μερικοί ακόμη ανθρακοφόροι χονδρίτες διασταυρώθηκαν με την πορεία της Γης και όλοι επιβεβαίωσαν ότι το σύμπαν είναι πλούσιο σε οργανικές ενώσεις. Πιστεύεται σήμερα ότι ο κομήτης του Halley αποτελείται κατά 25% από οργανικά μόρια. Αν αρκετά από αυτά προσέκρουαν στο κατάλληλο μέρος -στη Γη για παράδειγμα- θα υπήρχαν οι προϋποθέσεις για τη δημιουργία ζωής. Πολλοί επιστήμονες έχουν ασχοληθεί με πειράματα επιβεβαίωσης της θεωρίας της Πανσπερμίας. Ο Ινδός αστροφυσικός Jayant Narlikar, του Πανεπιστημίου Pune της Ινδίας, πρόσφατα έστειλε σε μεγάλο ύψος με τη βοήθεια πειραματικού 9

10 μπαλονιού μια κρυογονική συσκευή με 16 κυλίνδρους εν κενώ, απολυμασμένους πριν από την πτήση. Οι κύλινδροι ήταν προγραμματισμένοι να γεμίσουν αυτόματα με δείγματα αέρα από διάφορα ύψη, 25 έως 41 km. Μόλις επέστρεψε το ωφέλιμο φορτίο κάτω στη Γη, εξετάστηκε στα εργαστήρια βιολογίας στο Κάρντιφ και το Σέφιλντ της Αγγλίας. Οι ερευνητές έμειναν έκπληκτοι γιατί βρήκαν στοιχεία για ζωντανά κύτταρα στα δείγματα από το ύψος των 41 km. Ο Narlikar υπογραμμίζει ότι αυτή ήταν η πρώτη προσπάθεια για να καταδειχθεί ότι υπάρχουν βιολογικά συστήματα σε τέτοια ύψη. Παραδέχεται ότι ακόμα δεν ξέρει εάν η ζωή που βρήκε προέρχεται από ψηλότερα ή χαμηλότερα. Ο Ινδός ερευνητής πιστεύει ότι προέρχεται από τα πάνω στρώματα της ατμόσφαιρας, επειδή κατά τους ατμοσφαιρικούς επιστήμονες, ακόμη και κατά τη διάρκεια των ισχυρότερων ηφαιστειακών εκρήξεων, η τέφρα εκτινάσσεται σε ύψη μικρότερα των 32 km. Έτσι το γεγονός ότι βρήκε κάτι σε ύψος 41 km, και κατά τη διάρκεια μιας περιόδου που δεν υπήρξε καμία ηφαιστειακή έκρηξη, δείχνει μια εξωγήινη προέλευση αυτών των βακτηρίων. Οι ερευνητές εξετάζουν επίσης το αν οι ευπαθείς χημικές ουσίες θα μπορούσαν να επιζήσουν στις υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που συνοδεύουν την άφιξη ενός μετεωρίτη ή κομήτη και επιπλέον αν μια σύγκρουση επιφέρει τοπικές αλλαγές στην ατμόσφαιρα της Γης, ίσως κάνοντάς την πιο φιλική στη ζωή. Ο Christopher Chyba του SETI και του Πανεπιστημίου του Stanford και η Elisabetta Pierazzo του Πανεπιστημίου της Αριζόνα έφτιαξαν ένα μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης των συγκρούσεων των κομητών και των αστεροειδών με τη Γη. Συμπέραναν λοιπόν ότι κάποια αμινοξέα, επιβιβασμένα σε κομήτες μεγέθους χιλιομέτρων, θα μπορούσαν πράγματι να επιζήσουν μετά από χτύπημα επί της γήινης επιφάνειας. Οι επιστήμονες βρήκαν επίσης ότι μερικοί τύποι αμινοξέων άντεχαν πιο πολύ από άλλους σε παρόμοιες κρούσεις. Τη σκυτάλη πήρε η Jennifer Blank και οι συνεργάτες της και, επιλέγοντας την πρακτική εφαρμογή, χρησιμοποίησαν κανόνια μήκους 15 μέτρων για να εκτοξεύσουν ατσάλινα βλήματα που περιείχαν διάφορα αμινοξέα. Ικανοποιητικό ποσοστό των αμινοξέων επέζησε της σύγκρουσης με ειδικά σχεδιασμένους στόχους και μάλιστα κάποια από αυτά μετατράπηκαν σε πεπτίδια, τα αλυσοειδή μόρια από τα οποία δομούνται οι πρωτεΐνες. Στο εργαστήριο επιτυγχάνονται οι ζητούμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, η διάρκεια όμως των συγκρούσεων είναι πολύ μικρότερη απ αυτή που θα περιμέναμε σε μια πραγματική σύγκρουση μεγάλης κλίμακας. Η Blank παρατηρεί ότι τα μέχρι τώρα αποτελέσματα ενισχύουν την άποψη πως η επιμήκυνση του χρόνου κρούσης παράγει ακόμη περισσότερα πεπτίδια. Μια άλλη ερευνητική ομάδα, αυτή του Seiji Sugita του Πανεπιστημίου του Τόκυο, εκτελεί παρόμοια πειράματα για να προσομοιώσει τις συνθήκες αλληλεπίδρασης των μετεωριτών με την ατμόσφαιρα, καθώς αυτοί προσκρούουν στη Γη. Στα 10

11 πειράματα αυτά ο Sugita, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπική ανάλυση του φωτός που εκπεμπόταν από την περιοχή σύγκρουσης σε χρονική διάρκεια χιλιοστού του δευτερολέπτου, έχει βρει ότι μετεωρίτες πλούσιοι σε σίδηρο αλλάζουν τοπικά την ατμόσφαιρα γύρω από το σημείο επαφής. Ακόμη και μια ατμόσφαιρα εχθρική στο σχηματισμό βιολογικών μορίων, μεταμορφώνεται προσωρινά σε φιλικότερη και δίνεται έτσι η ευκαιρία να ακολουθήσουν και τα υπόλοιπα βήματα προς το σχηματισμό της ζωής. Έρευνες πραγματοποιούνται επίσης από τη NASA και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) και αποσκοπούν στην επιβεβαίωση της θεωρίας της πανσπερμίας. Τα αποτελέσματα των ερευνών συνεχίζουν να εκπλήσσουν τους επιστήμονες ως προς την ανθεκτικότητα των μικροοργανισμών υπό ακραίες συνθήκες. Στο πρόγραμμα SURE του ESA συμμετείχε και το Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, με επικεφαλή τη δρα Ευαγγελία Σαραντοπούλου και μέλη της ομάδας τούς δρες Αλκιβιάδη-Κωνσταντίνο Κεφαλά και Ζωή Κόλλια. Η ερευνητική προσπάθεια περιλάμβανε την εκτέλεση πειραμάτων στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, παράλληλα με εργαστηριακές προσομοιώσεις συνθηκών Διαστήματος, με σκοπό την εκτίμηση της επίδρασης της έλλειψης βαρύτητας, της υπεριώδους ακτινοβολίας, του διαστημικού κενού και των χαμηλών θερμοκρασιών στη βιωσιμότητα διάφορων μικροοργανισμών. Περαιτέρω έρευνα αναμένεται ότι θα αποκωδικοποιήσει τους μηχανισμούς προστασίας και επιδιορθώσεων του DNA που φαίνεται ότι διαθέτουν διάφοροι μικροοργανισμοί όταν εκτίθενται σε ακραίες συνθήκες, προσθέτοντας ένα μικρό λίθο στη θεωρία της πανσπερμίας. Η θεωρία της εξωγήινης προέλευσης της ζωής πάντως, παρουσιάζει προβλήματα. Καταρχάς δεν απαντά στο πώς ακριβώς δημιουργήθηκε η ζωή, απλώς μεταθέτει τη γένεση κάπου αλλού. Επιπλέον έχει βρεθεί ότι η μεσοαστρική σκόνη καθώς και οι κομήτες περιέχουν οργανικές ενώσεις, αλλά δεν έχει βρεθεί τουλάχιστον ακόμα ζωή σε άλλο μέρος εκτός από τον πλανήτη μας. Έτσι, το μεγαλύτερο μέρος των επιστημόνων δεν δέχεται ότι ολόκληρα κύτταρα ενέσπειραν τη ζωή στη Γη. 11

12 Θεωρία «σούπας» «Αν ο Θεός δεν το έκανε με αυτό τον τρόπο, τότε έχασε μια καλή ευκαιρία». - Urey Εικόνα: Σχηματική απεικόνιση του σχηματισμού της διπλοστοιβάδας στις αρχέγονες λίμνες Σύμφωνα με τη θεωρία της «προβιοτικής σούπας», σε μεγάλες λεκάνες -μεγάλες λίμνες- συσσωρεύτηκαν υλικά που συμπυκνώθηκαν υπό συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Ας σημειωθεί ότι η πρωταρχική μας ατμόσφαιρα ήταν αναγωγική και περιείχε μεθάνιο, υδρόθειο, αμμωνία, μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα. Άρα, όταν αυτά τα μόρια βρέθηκαν σε μια τέτοια «σούπα», μπόρεσαν και άρχισαν να δίνουν τις πρώτες αντιδράσεις σχηματισμού βιομορίων και στη συνέχεια τον σχηματισμό του πρώτου κυττάρου, τον πιθανό προγονό μας. Αρκετοί επιστήμονες πρότειναν ο καθένας τη δική του άποψη, κυρίως μέσα στο πλαίσιο της αρχικής θεωρίας της σούπας και οι απόψεις τους διέφεραν κατά κύριο λόγο όσον αφορά την πηγή ενέργειας της πρώιμης ζωής. O Manfred Eigen και ο Leslie Orgel, χημικοί, ήταν οι κύριοι εξερευνητές της πειραματικής προσέγγισης στο πρόβλημα της προέλευσης της ζωής. Έδειξαν ότι η βιολογική οργάνωση μπορεί να εμφανιστεί αυτόματα και να εξελιχθεί εντός δοκιμαστικού σωλήνα. Χρησιμοποίησαν όμως καλούπια ή ένζυμα για να δημιουργήσουν RNA, γεγονός που υποδηλώνει πως ίσως όχι αυτό, αλλά οι πρωτεΐνη να ήταν το πρωταρχικό μόριο της ζωής. Ο Aleksandr Ivanovich Oparin, ρώσος βιομήχανος, διατύπωσε τη δική του άποψη για την προέλευση της ζωής, δημοσιεύοντας το βιβλίο του το 1924, την πρώτη χημική προσέγγιση του ζητήματος μετά τα πειράματα του Pasteur. Η θεωρία του Oparin εισάγει ως πρώτο κρίκο στην αλυσίδα της ζωής την αντίδραση των αερίων της πρωταρχικής ατμόσφαιρας μεταξύ τους με τη βοήθεια διαφόρων μορφών 12

13 ενέργειας, που υπήρχαν στην προβιοτική Γη. Περιγράφει στη συνέχεια την πορεία που ακολούθησε η ατμόσφαιρα της Γης και η περιγραφή του συμπίπτει σε αρκετά σημεία με αυτά που παραδεχόμαστε σήμερα ότι συνέβησαν. Κατόπιν, υποθέτει την εξέλιξη προβιολογικών συστημάτων που εμφάνιζαν ορισμένα χαρακτηριστικά της ζωής. Βέβαια έπεσε έξω σε αρκετά σημεία, όπως για παράδειγμα στο ότι η Γη ήταν αρχικά αστέρας, αλλά και σε ο,τι αφορά την παρουσία οξυγόνου στην αρχέγονη ατμόσφαιρα. Αντίθετα, η ιδέα του ότι η οργανική «σούπα» των πρώτων ωκεανών δημιουργήθηκε μέσω της επίδρασης της ακτινοβολίας και άλλων ισχυρών τότε πηγών ενέργειας στα ανόργανα συστατικά της ατμόσφαιρας αποδείχθηκε υλοποιήσιμη από τον Stanley Miller. Οι απόψεις του Οparin κρίνονταν σωστές για πενήντα χρόνια περίπου και επικρατούσαν, όχι γιατί στηρίζονταν σε πειστικά δεδομένα, αλλά κυρίως επειδή ήταν η μόνη εναλλακτική πρόταση στη βιβλική εκδοχή της δημιουργίας. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, ο Harlold Urey (βραβείο Nobel χημείας, 1934) πρότεινε ότι η πρωταρχική ατμόσφαιρα της Γης ήταν αναγωγική, από τη στιγμή που οι εξωτερικοί πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος -ο Δίας, ο Κρόνος, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας- είχαν αυτού του είδους την ατμόσφαιρα. Μια τέτοια αναγωγική ατμόσφαιρα περιείχε μεθάνιο(ch 4 ), αμμωνία (ΝΗ 3 ) και νερό(η 2 Ο). Ο Urey δεν είχε υπόψη το βιβλίο του Oparin, «Προέλευση της ζωής», που είχε μεταφραστεί στα αγγλικά το Το βιβλίο αυτό είχε ευρεία απήχηση μεταξύ των βιολόγων αλλά δεν ήταν γνωστό στους άλλους επιστημονικούς κύκλους. Ακολούθησαν τα κλασικά πειράματα του Stanley Miller, φοιτητή τότε (1953) στα εργαστήρια του Urey. Με τα πειράματα αυτά, ο Miller προσπάθησε να μιμηθεί μερικές διαδικασίες της χημειογένεσης in vitro, σε συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που πιστεύεται ότι επικρατούσαν αρχικά στην επιφάνεια της προβιοτικής Γης. Σε πείραμα, όπως απεικονίζεται στην εικόνα, σε μια κυκλική συσκευή εισήγαγε τα αέρια μεθάνιο, αμμωνία, υδρογόνο και ατμούς ύδατος, ενώσεις που πιστεύεται ότι υπήρχαν στην πρωταρχική ατμόσφαιρα. Οι αρχικές θάλασσες και βροχές προσομοιάστηκαν με νερό και εκτέθηκαν σε ηλεκτρικές εκκενώσεις οι οποίες μιμούνταν τους κεραυνούς. Το αποτέλεσμα της έκθεσης του μίγματος αυτών των αερίων στην παραπάνω διαδικασία ήταν ο σχηματισμός διαφόρων αμινοξέων, καρβοξυλικών οξέων σε πολύ μικρές ποσότητες κι άλλων χημικών ενώσεων, οι οποίες συμμετέχουν στην δημιουργία βιομορίων. 13

14 Εικόνα: Το πείραμα του Miller Τα πειράματα Miller-Urey αποτέλεσαν ορόσημο για τον τομέα της προέλευσης της ζωής. Κάποιοι όμως θεωρούν πρωτοπόρο τον γερμανό Löb στις αρχές του περασμένου αιώνα, συνεπώς σε αυτόν ίσως θα πρέπει να πιστωθεί η εισαγωγή της προβιοτικής χημείας. Βέβαια, ο Löb όπως φαίνεται από τη δημοσίευσή του το 1913, δεν ενδιαφερόταν όταν έκανε τα πειράματα του, να διαπιστώσει πώς άρχισε η ζωή στη Γη ή πώς γίνεται η σύνθεση οργανικών ενώσεων κάτω από πιθανές προβιοτικές συνθήκες, αλλά επιδίωκε να κατανοήσει τη διαδικασία πρόσληψης του διοξειδίου του άνθρακα (CΟ 2 ) και του αζώτου (Ν 2 ) από τα φυτά. Αντίθετα, οι Miller και Urey με το συγκεκριμένο πείραμα επινόησαν νέους τρόπους μελέτης της προέλευσης της ζωής. Βεβαίως, τα πειράματα των Miller-Urey, όπως και τα επόμενα πολλών άλλων, δεν απέδειξαν ότι με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκαν οι πρώτες χημικές ενώσεις, αλλά ότι είναι δυνατή η γένεση βιομορίων οπουδήποτε στο σύμπαν, εάν υπάρχουν οι κατάλληλες προϋποθέσεις. Όταν κάποτε ρωτήθηκε ο Urey, κατά πόσο ήταν πιθανόν αυτού του είδους η διαδικασία να συμβεί στην πρωταρχική Γη, η άμεση απάντηση του ήταν: «αν ο Θεός δεν το έκανε με αυτό τον τρόπο, τότε έχασε μια καλή ευκαιρία». Ο Joan Orό το 1960 συνέθεσε από διάλυμα κυανιούχου αμμωνίου (ΝΗ 4 CN) σε νερό τις οργανικές βάσεις αδενίνη και γουανίνη, συστατικά (μαζί με τη θυμίνη και 14

15 την κυτοσίνη) κάθε μορίου DNA. Το εναρκτήριο υλικό υπήρξε πιθανώς στην αρχέγονη Γη, στο διάστημα που επικρατούσε η αναγωγική ατμόσφαιρα στην επιφάνεια των λιμνών και των θαλασσών. Δεν είναι όμως εύκολο υπό τις επικρατούσες συνθήκες να φανταστούμε με ποιον τρόπο το διάλυμα του κυανιούχου αμμωνίου θα γινόταν αρκούντως πυκνό ώστε, σύμφωνα με τη χημική σύνθεση του Orό, να παράξει τις παραπάνω βάσεις σε μεγάλες αποδόσεις. Ο Leslie Orgel υπέδειξε έναν τρόπο: κατά το πάγωμα μιας λιμνούλας που περιέχει αραιό διάλυμα κυανιούχου αμμωνίου, ο πάγος στην επιφάνεια είναι καθαρό νερό, ενώ το διάλυμα από κάτω συμπυκνώνεται όλο και περισσότερο καθώς συνεχίζεται η επέκταση του πάγου. Παρόμοιες συνθήκες ήταν η βάση και του μεταγενέστερου μοντέλου της «παγωμένης Γης», το οποίο υποστηρίχθηκε από τον ωκεανογράφο Jeffrey Bada. Εικόνα 1: Μοντέλο των παγωμένων ωκεανών. Τα προϊόντα των αντιδράσεων της προβιοτικής χημείας προστατεύονταν από την ακτινοβολία UV. Ο A.G. Cairns-Smith (1965) υπέθεσε ότι μόρια όπως τα αμινοξέα, οι υδατάνθρακες κλπ δεν ήταν απαραίτητα για την εμφάνιση της πρώτου γονιδίου, το οποίο κατ αυτόν είχε τη μορφή ενός ανόργανου μικροκρυσταλλικού ορυκτού και δομές που συναντούμε στα σωματίδια αργίλου. Τα μόρια αυτά όμως συνέπεσε να βρίσκονται εκεί κατά το χρονικό διάστημα δημιουργίας της ζωής και βοήθησαν στην εξέλιξή της μέσω της χρησιμοποίησης του RNA. Το 1977, ο Jack Corliss με δύο συνεργάτες του καταδύθηκαν με κατάλληλο βαθυσκάφος σε βάθος 2,5 χιλιομέτρων περίπου στη θαλάσσια περιοχή έξω από τα 15

16 νησιά Galapagos, στον Ειρηνικό Ωκεανό, και παρατήρησαν ενεργή ηφαιστειακή δράση σε υποθαλάσσιες οροσειρές. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι στις θέσεις απελευθέρωσης ηφαιστειακού υλικού, όπου η ηλιακή ακτινοβολία δεν φθάνει, αναπτυσσόταν ένα πλούσιο οικοσύστημα, με νέα είδη ζώων (καβούρια, μύδια, σκουλήκια κ.ά.) και άφθονους μονοκύτταρους οργανισμούς. Όλες οι θεωρίες που δέχονται ότι η εμφάνιση της ζωής έλαβε χώρα σε διεπιφάνειες μεταξύ αρχέγονων ωκεανών και αρχέγονης ατμόσφαιρας, δέχονται επίσης ότι μοναδικές πηγές ενέργειας πρέπει να ήταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του Ήλιου ή διάφορες ατμοσφαιρικές πηγές, όπως οι ηλεκτρικές εκκενώσεις. Στην περίπτωση όμως των οικοσυστημάτων του θαλάσσιου βυθού, καμία από τις παραπάνω πηγές δεν μπορεί να αξιοποιηθεί. Η μόνη διαθέσιμη και αξιοποιήσιμη πηγή ενέργειας είναι οι υδροθερμικές πηγές, γύρω από τις οποίες αναπτύσσονται αυτά τα υποθαλάσσια οικοσυστήματα. Εικόνα 2: Διαγραμματική απεικόνιση διατομής βαθύβιου συστήματος που απεικονίζει τις πιθανές θέσεις για τις διαφορετικές μικροβιακές κοινότητες O Gunter Wächtershäuser (1988, 1992) ξεκίνησε με βάση την παραδοχή ότι ο πρώτος οργανισμός ήταν χημειοαυτότροφος. Στα αυτότροφα συστήματα, η πηγή ενέργειας πρέπει να είναι πηγή αναγωγικού δυναμικού, ειδάλλως είναι αδύνατον να ερμηνεύσουμε τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε πιο ανηγμένα προϊόντα, έως και μεθάνιο. Ο Wächtershäuser απέρριψε εκ προοιμίου το σκεπτικό 16

17 ότι οι αναγωγικές αντιδράσεις χρειάζονται ως ενεργειακή πηγή υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία όμως επιδρά καταστρεπτικά σε πολλά συστατικά του γνωστού, τουλάχιστον, μεταβολισμού. Υιοθέτησε απόψεις του Corliss και των συνεργατών του και πρότεινε τον οξειδωτικό σχηματισμό σιδηροπυρίτη. Η ένωση αυτή δεν προσέφερε πλεονεκτήματα μόνο από άποψη ενέργειας, αλλά και ως υπόστρωμα πάνω στο οποίο θα μπορούσε να έχει ξεκινήσει ο πρώιμος μεταβολισμός. 20 χρόνια μετά τον Corliss, οι M. Russell, A. Hall και W. Martin πρότειναν ένα μοντέλο για την προέλευση της ζωής και των κυττάρων, το οποίο στηριζόταν στο οξειδοαναγωγικό σύστημα του σιδηροπυρίτη. Δέχονται την ύπαρξη ανόργανων κυψελίδων, με μορφή κυττάρων, οι οποίες αντλούν ενέργεια -όπως και τα σύγχρονα κύτταρα- από τη διαβάθμιση του ph που διαμορφώνεται στις δύο πλευρές μιας μεμβράνης, σήμερα λιπιδικής, αλλά την εποχή εκείνη ανόργανης. Συνοψίζοντας, φαίνεται ότι το πρόβλημα της ζωής δεν συνδέεται με την ύπαρξη των κατάλληλων μορίων που τη συνιστούν. Τα μεν ανόργανα στοιχεία που χρειάζονται, λαμβάνονται από τα διάφορα συστατικά του εδάφους και της ατμόσφαιρας, οι δε απαραίτητες οργανικές ενώσεις για τους αρχέγονους οργανισμούς σχηματίζονταν και πιθανώς ακόμα σχηματίζονται παντού στη Γη, δηλαδή στην ατμόσφαιρα, στα ρηχά νερά, στα βάθη των ωκεανών, σε πετρώματα, μετεωρίτες του ηλιακού μας συστήματος, αλλά και στο εξώτερο διάστημα, σε αποστάσεις εκατομμυρίων ετών φωτός από τον πλανήτη μας. Κατά συνέπεια, το πρόβλημα της αρχέγονης ζωής φαίνεται ότι αφορά στην οργάνωση των χημικών ενώσεων σε συστήματα μορίων κατάλληλων να εκτελούν έργο, αλλά και να μεταφέρουν πληροφορία από τον έναν οργανισμό στον άλλο. 17

18 Ο Κόσμος του RNΑ και το Πρώτο Κύτταρο Εικόνα: DNA, RNA, πρωτεΐνες Κόσμος του RNΑ Τα τελευταία χρόνια γίνονται διάφορα ενδιαφέροντα πειράματα για την εύρεση και μελέτη των αυτοαντιγραφόμενων μορίων που υπήρχαν πριν από το DNA και του πρώτου αυτοαντιγραφόμενου συστήματος. Ένα από τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά της ζωής, όπως έχει εξελιχθεί μέχρι σήμερα, είναι η δυνατότητα κάθε ζωντανού οργανισμού να μεταβιβάζει τις απαραίτητες πληροφορίες, που οδηγούν στη γένεση ενός νέου οργανισμού, με τα μορφολογικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά που έχει και ο ίδιος. Ο υπεύθυνος μηχανισμός στηρίζεται σήμερα σε δύο κυρίως κατηγορίες μορίων: στα νουκλεϊκά οξέα DNA και RNA, τα οποία περιέχουν την πληροφορία καταγεγραμμένη στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων τους, και σε πρωτεΐνες που καταλύουν τις απαραίτητες αντιδράσεις για την πιστή αντιγραφή της δομής του νουκλεϊκού οξέος. Εάν απουσιάζει λοιπόν ένα από τα δύο, δηλαδή νουκλεϊκό οξύ ή πρωτεΐνη, δεν μπορεί να γίνει μεταβίβαση πληροφορίας με αυτόν το μηχανισμό. Επειδή, όμως θα ήταν παράλογο να δεχτούμε ότι συνέπεσε ταυτόχρονα στον ίδιο πρώιμο οργανισμό να εμφανιστούν ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος (που διέθετε την απαραίτητα γενετική πληροφορία) και μία πρωτεΐνη (δηλαδή ένα ένζυμο που αντέγραφε δομή αυτού του 18

19 οξέος), οδηγούμαστε υποχρεωτικά στο συμπέρασμα ότι είτε το ένα από τα δύο εμφανίστηκε πρώτο και «περίμενε» έως ότου εμφανιστεί το δεύτερο, είτε εμφανίστηκε κάποτε ένα νουκλεϊκό οξύ με καταλυτικές ή ένα ένζυμο με γενετική πληροφορία καταγεγραμμένη στην αλληλουχία των αμινοξέων του. Το τελευταίο δεν έχει διαπιστωθεί, μέχρι σήμερα τουλάχιστον, στα υπάρχοντα ζωντανά συστήματα, με πιθανή εξαίρεση τις μολυσματικές πρωτεΐνες πρίον, που είναι σε θέση να μεταβιβάζουν κάποια πληροφορία όσον αφορά τη διαμόρφωση του εαυτού μας. Το πρώτο ενδεχόμενο, όμως, δηλαδή η ύπαρξη νουκλεϊκού οξέος με καταλυτικές ιδιότητες, διαπιστώθηκε στα τέλη του 20ού αιώνα, από μερικούς αξιόλογους επιστήμονες. Θεωρίες και πειράματα Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ο Carl Woese, ο Francis Crick και ο Leslie Orgel είχαν προβλέψει θεωρητικά, σε μία προσπάθεια να εξηγήσουν την προέλευση της ζωής, ανεξάρτητα ο καθένας, ότι το RNA θα μπορούσε να είχε προηγηθεί του DNA και μίλησαν για τον «RNA κόσμο» - ένα κόσμο στον οποίο το RNA κατέλυε όλες τις αντιδράσεις που ήταν αναγκαίες για την επιβίωση και αντιγραφή των οντοτήτων που υπήρχαν την εποχή εκείνη. Δεκαπέντε χρόνια αργότερα από τη στιγμή που προτάθηκε η RNA κατάλυση ανακαλύφθηκε, από τα εργαστήρια του Thomas Cech στο πανεπιστήμιο του Colorado και του Sydney Altman στο πανεπιστήμιο του Yale, ότι RNA μόρια είχαν καταλυτικές ιδιότητες (έλαβαν το βραβείο Nobel για τις εργασίες αυτές). Οι Altman και Cech ανακάλυψαν μόρια RNA που μπορούσαν να υδρολύσουν, ορισμένα ακόμη και να αποκαταστήσουν, τον φωσφοδιεστερικό δεσμό που ευθύνεται για τη συγκρότηση των μορίων RNA. Το 2003 αποδείχθηκε ότι η ικανότητα του ριβοσώματος να συνθέτει πρωτεΐνες οφείλεται σε μια περιοχή του RNA του, και όχι σε κάποια από τις πρωτεΐνες του. Τα καταλυτικά αυτά μόρια RNA ονομάστηκαν ριβόζυμα, ενώ για τις καταλυτικές πρωτεΐνες διατηρήθηκε ο όρος ένζυμα. Βέβαια, τα πρώτα ριβόζυμα που ανακαλύφθηκαν δεν έκαναν τίποτα περισσότερο από το να κόβουν και να ενώνουν προϋπάρχοντα RNA, εντούτοις θεωρήθηκε δυνατό ότι θα μπορούσε να υπάρξει ένα RNA μόριο που θα περιείχε και τις γενετικές πληροφορίες και θα κατέλυε τη σύνθεση RNA αλυσίδων. Ωστόσο, το RNA έχει δύο σοβαρά μειονεκτήματα. Πρώτον, είναι σχετικά ασταθές μόριο, ιδιαίτερα ευαίσθητο στην αύξηση της θερμοκρασίας και στις μεταβολές του ph. Δεύτερον, είναι επιρρεπές σε σφάλματα (μεταλλάξεις) που συμβαίνουν κατά την αντιγραφή της δομής του. Σύμφωνα με τη θεωρία του κόσμου του RNA, αυτό 19

20 κατέλυε τις αντιδράσεις που απαιτούνταν για τη ζωή με τη βοήθεια των μετάλλων, πυριμιδίνων, αμινοξέων και άλλων μικρών μορίων ως συμπαραγόντων. Στη συνέχεια ο μεταβολισμός έγινε περισσότερο πολύπλοκος. Το RNA ανέπτυξε την ικανότητα να συνθέτει πολυπεπτίδια, τα οποία χρησίμευαν ως πιο περίτεχνοι συμπαράγοντες. Για τους παραπάνω λόγους λοιπόν, όταν εμφανίστηκε το DNA, ένα πολύ ανθεκτικότερο μόριο, αυτό ανέλαβε εξ ολοκλήρου την αποθήκευση της γενετική πληροφορίας, κυρίως διότι ως δίκλωνο- επέτρεπε την άμεση επιδιόρθωση του σφάλματος, αν ενσωματωνόταν λάθος νουκλεοτίδιο κατά τη διαδικασία της αντιγραφής, ενώ οι πρωτεΐνες αντικατέστησαν το RNA ως κυρίαρχοι βιοκαταλύτες. Έτσι, περιορίστηκαν σημαντικά οι μεταλλάξεις, οι οποίες στην πλειονότητά τους είναι επιβλαβείς για το κύτταρο. Δεν εξαφανίστηκαν όμως και έτσι μπορεί να ισχύει ο δαρβίνειος νόμος της εξέλιξης. Είναι βέβαια δύσκολο να γίνει αποδεκτή η ύπαρξη του RNA κόσμου με βάση τις λειτουργίες των RNA μορίων που διασώθηκαν μέχρι σήμερα. Το ενδεχόμενο ύπαρξης του «RNA κόσμου» εξαρτάται από τις αντιδράσεις που τα ριβόζυμα μπορούσαν να καταλύσουν. Ένα από τα μεγάλα ερωτήματα που πρέπει να απαντηθεί, είναι κατά πόσον τα ριβόζυμα ήταν ικανά να καταλύουν τις αναγκαίες αντιδράσεις για την κυτταρική ζωή. Μέχρι σήμερα δεν έχουν βρεθεί στη φύση μόρια RNA, τα οποία να κατευθύνουν την αντιγραφή άλλων RNA μορίων. Αλλά ο Cech και ο Jack Szostak έχουν τροποποιήσει κάποια ριβόζυμα ώστε να εκτελούν κάποιες από τις πιο σπουδαίες αντιδράσεις για την αντιγραφή του RNA, όπως την ένωση των νουκλεοτιδίων ή ολιγονουκλεοτιδίων. Εικόνα 3: Χρονική εξέλιξη των γεγονότων της ιστορίας της ζωής στη Γη (οι χρονολογικές σε δισεκατομμύρια χρόνια) Εάν λοιπόν ο κόσμος RNA εξελίχθηκε de novo, πρέπει να εξαρτήθηκε στην αρχή από μια αβιοτική πηγή νουκλεοτιδίων. Αν λοιπόν οι δομικοί λίθοι του RNA ήταν διαθέσιμοι στο προβιοτικό περιβάλλον, αν συνδέθηκαν και σχημάτισαν πολυνουκλεοτίδια και αν κάποια από τα νουκλεοτίδια άρχισαν να αυτοαντιγράφονται, τότε ο κόσμος RNA θα μπορούσε να αναδυθεί ως η πρώτη μορφή ζωής στη Γη. 20

21 Επομένως, η άμεση προβιοτική σύνθεση νουκλεοτιδίων δεν είναι απίθανη. Ίσως να υπήρχαν ιδιαίτερες συνθήκες οι οποίες να οδήγησαν στην προνομιακή σύνθεση των ενεργών νουκλεοτιδίων ή στην προνομιακή ενσωμάτωση των μονομερών σε πολυμερή. Έτσι, διαμέσου μιας σειράς επηρεασμένων συνθέσεων και άλλων διαδικασιών εμπλουτισμού, μπορεί να υπάρξει ένα ειδικό μονοπάτι για τις μικρές ζεστές λίμνες του RNA. Είναι πάντως πολύ πιθανό να υπήρχαν οργανωμένες μορφές πριν από τον RNA κόσμο. Τα χαρακτηριστικά του RNA το κάνουν λιγότερο εκλεπτυσμένο, αν το συγκρίνουμε με τους διαδόχους του, το DNA και τις πρωτεΐνες. Η χαμηλότερη δραστικότητα, αλλά και η μεγαλύτερη σταθερότητα του DNA, το κάνει καλύτερη επιλογή για γενετικό υλικό, ενώ η μεγαλύτερη χημική ποικιλότητα των πρωτεϊνών, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται ανιονικές, κατιονικές και υδρόφοβες ομάδες, κάνουν τις πρωτεΐνες καλύτερη επιλογή ως βάση για καταλυτικές λειτουργίες. Όμως, αυτά τα περισσότερο εκλεπτυσμένα μόρια πιθανόν να μην αναδύονταν χωρίς τα θεμέλια που τέθηκαν από το RNA. Συνοψίζοντας, το βασίλειο του «RNA κόσμου» στη γη θα έπρεπε να άρχισε όχι νωρίτερα από 4.2 δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα και να τέλειωσε όχι αργότερα από 3,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Μπορεί να διήρκησε μόνο ένα μικρό μέρος από αυτό το χρονικό διάστημα, με τον προ-rna κόσμο να προηγήθηκε. Το Πρώτο Κύτταρο - Τελευταίος Κοινός Πρόγονος Ο,τι κι αν ώθησε τη ζωή να ξεκινήσει, αυτό συνέβη μόνο μια φορά. Πρόκειται για το πιο εντυπωσιακό στοιχείο στη βιολογία, ίσως το πιο εντυπωσιακό από όλα όσα γνωρίζουμε. Οτιδήποτε έζησε ποτέ, φυτό ή ζώο, έχει τις απαρχές του στον ίδιο πρωταρχικό παλμό. Κάποτε, σ ένα αφάνταστα μακρινό παρελθόν, κάποιος μικρός «σάκος» γεμάτος χημικά μετατράπηκε σε ζωή. Απορρόφησε κάποιες θρεπτικές ουσίες, έκανε κάποιες αδιόρατες κινήσεις, έμεινε λίγο ζωντανός. Αυτό, ενδεχομένως, είχε συμβεί πάμπολλες φορές στο παρελθόν. Όμως το αρχέγονο μόρφωμα έκανε κάτι ακόμα που ήταν εξαιρετικό: διχοτομήθηκε και δημιούργησε έναν διάδοχο. Ένα μικροσκοπικό πακέτο γενετικού υλικού μεταβιβάστηκε από τη μια οντότητα στην άλλη, και έκτοτε αυτή η διαδικασία δε σταμάτησε ποτέ. Ήταν, για όλους εμάς, η στιγμή της δημιουργίας. Μερικές φορές οι βιολόγοι την ονομάζουν «Μεγάλη Γέννηση». 21

22 Εικόνα: Από τα πρωτοκύτταρα προέκυψαν εξελικτικά οι μονοκύτταροι προκαρυώτες, ένας κλάδος των οποίων εξελίχθηκε στα πιο σύνθετα πρώτιστα, μύκητες, φυτά και ζώα. «Όπου και αν πάτε στον κόσμο, οποίο ζώο, φυτό, ζουζούνι, μανιτάρι και να δείτε, αν είναι ζωντανό, θα χρησιμοποιεί το ίδιο λεξικό και θα γνωρίζει τον ίδιο κώδικα. Η ζωή είναι μια», λέει ο Matt Ridley. Αυτό σημαίνει ότι είμαστε όλοι το αποτέλεσμα του ίδιου γενετικού τεχνάσματος, που μεταδίδεται από γενιά σε γενιά εδώ και 4 δισεκατομμύρια χρόνια. Η παρατήρηση αυτή, αλλά και το γεγονός ότι όλα τα γνωστά κύτταρα περιβάλλονται από μια λιπιδική μεμβράνη, έχουν οδηγήσει τους μελετητές της προέλευσης της ζωής στο να αποδεχτούν την υπόθεση του Δαρβίνου, δηλαδή ότι υπήρξε ένας και μόνο κοινός οικουμενικός πρόγονος (Last Universal Common Ancestor, LUCA), από τον οποίο κατάγονται όλοι οι οργανισμοί που υπάρχουν ή υπήρξαν ποτέ στον πλανήτη μας. Εκεί που διαφωνούν όμως, είναι όσον αφορά τη φύση και την προέλευση του LUCA. Αυτό συμβαίνει διότι, προφανώς, δεν είναι εύλογο να θεωρήσουμε ότι η συγκρότηση ενός κυττάρου από σκόρπιες χημικές ενώσεις συνέβη σε ένα και μόνο στάδιο. Όσοι υιοθετούν τις θεωρίες κατά τις οποίες η ζωή εμφανίστηκε σε υψηλές θερμοκρασίες (π.χ. Wächtershäuser 1992), τείνουν να συμφωνήσουν στην άποψη 22

23 ότι ο LUCA ήταν ένας θερμόφιλος ή υπερθερμόφιλος προκαρυωτικός οργανισμός. Αντίθετα, όσοι υιοθετούν την ιδέα ενός «κόσμου του RNA», δέχονται μάλλον ότι ο LUCA ήταν μεσόφιλος, κυρίως λόγω της αστάθειας του RNA στις υψηλές θερμοκρασίες. Ο Massimo Di Giulio (2003), χρησιμοποιώντας κυρίως ένα δείκτη θερμοφιλίας για κάποιον αριθμό γονιδίων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι πρόγονοι των βακτηρίων και των αρχαιοβακτηρίων, δηλαδή των προκαρυωτικών οργανισμών, ήταν θερμόφιλοι ή υπερθερμόφιλοι, ενώ εκείνοι των ευκαρυωτικών ήταν μεσόφιλοι. Εικόνα 4: Εξέλιξη των οργανισμών (προκαρυωτικών και ευκαρυτικών) Ο Carl Woese (1998), που ανακάλυψε την επικράτεια (αγγλ. domain) των αρχαιοβακτηρίων, υιοθέτει την άποψη ότι ο οικουμενικός πρόγονος δεν ήταν μια συγκεκριμένη οντότητα, αλλά μάλλον μια αποικία διαφορετικών κυττάρων, η οποία επιβίωσε και εξελίχθηκε ως ενιαία βιολογική μονάδα. Με την πάροδο του χρόνου, η αποικία αυτή περιοριζόταν σε μικρότερο αριθμό κυττάρων, αυξανόμενης όμως πολυπλοκότητας, διαδικασία που κατέληξε στους προγόνους των τριών επικρατειών των ζώντων οργανισμών, δηλαδή των βακτηρίων, των αρχαιοβακτηρίων και των ευκαρύων. Ο Woese στηρίζει την υπόθεση του κυρίως στο ότι οι τρεις επικράτειες εμφανίζουν θεμελιώδεις μοριακές διαφορές και μάλιστα τόσες πολλές, ώστε αν ένα μόνο κύτταρο ήταν κοινός πρόγονος όλων των επικρατειών, το κύτταρο αυτό θα έπρεπε να είναι εξαιρετικά περίπλοκο και να περιέχει ταυτοχρόνως γονίδια για τα ένζυμα του κύκλου του Krebs, του μεταβολισμού των υδατανθράκων, της οξείδωσης και αναγωγής του θείου και της βιολογικής καθήλωσης του αζώτου. Θα έπρεπε ακόμα να μπορεί να μετακινείται με 23

24 μαστίγια, να έχει ρυθμισμένο κυτταρικό κύκλο κ.ά. Ωστόσο, κανένας δεν δέχεται ότι ο οικουμενικός πρόγονος θα μπορούσε να ήταν τόσο περίπλοκος. Γενικά, τη συνολική διαδικασία της εξέλιξης μπορούμε να τη χωρίσουμε σε τρεις φάσεις: η πρώτη φάση αρχίζει με τη δημιουργία της ζωής η δεύτερη φάση είναι αυτή της απόκλισης στις τρεις επικράτειες, των Βακτηρίων, των Αρχαίων και των Ευκαρύων τέλος, η τρίτη φάση καλύπτει την παράλληλη εξέλιξη αυτών των τριών επικρατειών μέχρι σήμερα. Σταδιακά, οι ευκαριώτες έμαθαν να σχηματίζουν μαζί περίπλοκους πολυκύτταρους οργανισμούς. Γι αυτό απαιτήθηκε πολύς καιρός - κάπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια- και χάρη σε αυτή την επινόηση, μεγάλες, πολύπλοκες, ορατές οντότητες όπως εμείς κατέστησαν δυνατές. 24

25 Η δημιουργία και η εξέλιξη των χημικών στοιχείων Εξετάζοντας τις διάφορες θεωρίες δημιουργίας του κόσμου, απαιτούμε από όλες να συμβαδίζουν με δεδομένα που έχουμε συλλέξει για τις συνθήκες που επικρατούσαν στο παρελθόν. Βασικός πυλώνας κάθε θεωρίας είναι η ταυτότητα των πρώτων στοιχείων, πώς αυτά δημιουργήθηκαν και τι προέκυψε από τις αντιδράσεις τους. Ο κύκλος της ζωής των στοιχείων είναι αέναος, καθώς όση ποσότητα ενέργειας και να δεχθεί η ύλη, δεν θα σταματήσει να υπάρχει, απλώς θα εξελιχθεί σε κάτι άλλο. Χρησιμοποιώντας τα εργαλεία που μας προσφέρουν η παρατηρησιακή αστρονομία και η φασματοσκοπία, μπορούμε να ρίξουμε μια ματιά στο παρελθόν και στη συμπεριφορά των στοιχείων τότε. Όσο πιο απομακρυσμένο είναι το σημείο στο οποίο στρέφουμε το τηλεσκόπιο, τόσο παλαιότερη είναι η εικόνα που λαμβάνουμε. Τα πρώτα στοιχεία Ας επανέλθουμε λοιπόν στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης και στην εποχή της πυρηνογένεσης, σε χρόνο τρία έως δεκαπέντε λεπτά μετά το Big Bang. Η θερμοκρασία έχει μειωθεί στο επίπεδο των ενός δισεκατομμυρίου βαθμών της κλίμακας Kelvin και σχηματίζονται πυρήνες υδρογόνου και ηλίου. Το υδρογόνο και το ήλιο αποτελούν τα συστατικά μιας διαδικασίας, που ονομάζεται κύκλος καύσης του υδρογόνου. Η διαδικασία αυτή είναι ο τρόπος με τον οποίο όλα τα άστρα (και ο Ήλιος) παράγουν την απαραίτητη για αυτά ενέργεια H 1H 1H e v e H 1H 2 He γ He 2He 2 He 21H Ενώ το σύμπαν συνεχίζει να κρυώνει και να διαστέλλεται, στο εσωτερικό των άστρων η πίεση της βαρύτητας διατηρεί τη θερμοκρασία αρκετά υψηλή, ώστε να πραγματοποιηθούν περαιτέρω αντιδράσεις. Ο συνδυασμός του υδρογόνου και του ηλίου με πλήθος πρωτονίων και νετρονίων οδήγησε ταχύτατα στο σχηματισμό βαρύτερων στοιχείων, όπως το βηρύλλιο (Be) κι ο άνθρακας (C). Παράλληλα, στην πρώιμη ακόμα φάση της εξέλιξης του σύμπαντος παρατηρούνται ίχνη λιθίου (Li). Σε 25

26 βαρύτερα αστέρια, απαντώνται θερμοκρασίες της τάξης των 6x10 8 Kelvin και υψηλότερες. Εκεί έγινε δυνατόν να πραγματοποιηθεί ο κύκλος του άνθρακααζώτου προς δημιουργία αζώτου (N) κι οξυγόνου (O) C 1H 7 N γ N 6 C e ve C 1H 7 N γ N 1H 8O γ O 7 N e ve N 1H 2 He 15 Επιπρόσθετα, ακόμα βαρύτερα άτομα σχηματίστηκαν. Σε αυτά ανήκουν το νέον (Ne), το πυρίτιο (Si) και το θείο (S). Σε ακόμα πιο θερμό περιβάλλον, κι άλλες αντιδράσεις μπόρεσαν να λάβουν χώρα και να προκύψουν μαγνήσιο (Mg) κι αργό (Ar). Όλο και βαρύτερα στοιχεία κατάφεραν τότε να σχηματιστούν, ως το σίδηρο, οι ακριβείς ποσότητες των οποίων ποικίλουν, καθώς εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες, όπως η θερμοκρασία και ο χρόνος ζωής των αστέρων. Ο σχηματισμός στοιχείων μεγαλύτερου ατομικού αριθμού συνέβη με προσθήκη νετρονίων σε έναν πυρήνα, που ακολουθείται από εκπομπή ηλεκτρονίων. Σε οποιοδήποτε περιβάλλον με χαμηλή πυκνότητα νετρονίων αυτή η προσθήκη γίνεται σχετικά αργά, ενώ σε περιβάλλοντα με υψηλή πυκνότητα νετρονίων, οι πυρήνες που προκύπτουν είναι πλούσιοι σε νετρόνια. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο σχηματισμός του κοβαλτίου (Co) από σίδηρο (Fe) Fe n Fe C Co e Τα πολύ βαριά στοιχεία επίσης σχηματίστηκαν με παρόμοιες αντιδράσεις. Μετά την προσθήκη των νετρονίων, η διάσπαση β - οδήγησε σε πυρήνες με μεγαλύτερους ατομικούς αριθμούς. Ο υδράργυρος (Hg) για παράδειγμα, σχηματίστηκε κατά τις διεργασίες που ακολούθησαν, στις εκρήξεις τύπου supernova. Η αφθονία τόσο των βαρύτερων, όσο και των ελαφρύτερων στοιχείων στο σύμπαν οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι διαδικασίες που παραπάνω περιγράψαμε δεν έχουν φτάσει σε τέρμα, αλλά συνεχίζονται μέχρι και σήμερα. Γενικά, η δημιουργία των χημικών στοιχείων αναφέρεται ως πυρηνοσύνθεση, αφού πρακτικά έχουμε να κάνουμε με τη δημιουργία νέων πυρήνων. Αφορά τις διαδικασίες που οδήγησαν στη δημιουργία των 92 χημικών στοιχείων και των 300 περίπου σταθερών ισοτόπων τους που απαντώνται στο σύμπαν και από τα οποία 26

27 αποτελούνται τα ουράνια σώματα (άστρα, γαλαξίες, μεσοαστρική ύλη, πλανήτες κλπ.). Σήμερα, με παρατηρήσεις, λαμβάνουμε γνώση της πυρηνοσύνθεσης: στο εσωτερικό των αστέρων κατά τις εκρήξεις αστέρων τύπου supernova κατά τις συγκρούσεις αστρικών λειψάνων (πλην μελανών οπών) κατά τη μεταστοιχείωση κάποιων χημικών στοιχείων του μεσοαστρικού κονιορτού από την κοσμική ακτινοβολία Τεχνητή δημιουργία Η δημιουργία στοιχείων όμως συνεχίζεται και στη Γη, μέσω πυρηνικών αντιδράσεων, είτε αυθόρμητων είτε με ανθρώπινη παρέμβαση. Ένας τύπος πυρηνικών αντιδράσεων είναι η ραδιενεργός διάσπαση, όταν ένας ραδιενεργός πυρήνας (συνήθως μεγάλης ατομικής μάζας και ασταθής) διασπάται μέσω τριών διεργασιών: διάσπαση α, διάσπαση β και διάσπαση γ, τις οποίες ονομάζουμε και ακτινοβολίες αντίστοιχα. Στην άλφα διάσπαση ο πατρικός πυρήνας διασπάται και μεταστοιχειώνεται στο θυγατρικό με ταυτόχρονη εκπομπή σωματιδίου άλφα (πυρήνας He, 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια) και ποσού ενέργειας. Το θυγατρικό στοιχείο είναι το μεθεπόμενο ελαφρύτερο του πατρικού και ένα τέτοιο άλμα στη διαφορά μάζας και ενέργειας προτιμάται από τον πατρικό πυρήνα όταν αυτός είναι αρκετά βαρύς. Κατά τη βήτα διάσπαση ένας ασταθής πυρήνας διασπάται με εκπομπή είτε ενός ηλεκτρονίου και ενός αντινετρίνο, οπότε ονομάζεται β - διάσπαση είτε ενός ποζιτρονίου και ενός νετρίνο, οπότε ονομάζεται β + διάσπαση είτε με σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου και εκπομπή νετρίνο, οπότε και ονομάζεται αρπαγή ηλεκτρονίου (electron capture). Και στις τρεις περιπτώσεις παράγονται θυγατρικοί πυρήνες ίδιου μαζικού αριθμού, αλλά διαφορετικού ατομικού αριθμού κατά ένα. Η γάμμα διάσπαση λαμβάνει χώρα κατά την αποδιέγερση ενός ηλεκτρομαγνητικά διεγερμένου πυρήνα σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη με εκπομπή φωτονίου υψηλής ενέργειας (ακτινοβολία γ). Ακολουθεί συνήθως την α ή τη β διάσπαση, όταν ο θυγατρικός πυρήνας αυτών βρεθεί σε διεγερμένη κατάσταση. Μια άλλη διαδικασία μεταστοιχείωσης είναι η πυρηνική σχάση, κατά την οποία ένας πυρήνας πολύ μεγάλου βάρους (πχ ουράνιο-235 ή πλουτώνιο-239) διασπάται (σχάζεται) σε ελαφρύτερα κομμάτια. 27

28 Εικόνα: Πυρηνική σχάση Από τη σχάση παράγονται συνήθως δύο θυγατρικοί πυρήνες με συγκρίσιμες μεταξύ τους μάζες και αριθμός νετρονίων, καθώς επίσης και σημαντική ποσότητα ενέργειας. Η πυρηνική σχάση ανακαλύφθηκε το 1938 από το Γερμανό Otto Hahn, ο οποίος, εργαζόμενος για τη δημιουργία υπερ-ουράνιων στοιχείων, εντόπισε την παρουσία βαρίου μετά από βομβαρδισμό δείγματος ουρανίου-235 με νετρόνια. Μία τυπική σχάση ουρανίου σε βάριο και κρυπτό έχει ως εξής: U 0n 56Ba 36Kr Καθοριστικό ρόλο στην ορθή ερμηνεία και στη δημοσίευση των αποτελεσμάτων, το 1938, έπαιξαν οι βοηθοί και συνεργάτες του Hahn, Lise Meitner και Fritz Strassmann, καθώς και ο Otto Robert Frisch. Η αντίστροφη διαδικασία της πυρηνικής σχάσης είναι αυτή της πυρηνικής σύντηξης, κατά την οποία δύο πυρήνες ελαφρών στοιχείων συντήκονται με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός βαρύτερου πυρήνα μαζί πιθανώς με αρκετά νετρόνια. Μια τέτοια αντίδραση παράγει επίσης μεγάλα ποσά ενέργειας και χρησιμοποιείται από τα άστρα για τη συνεχή τροφοδοσία τους με καύσιμο κατά τον κύκλο καύσης του υδρογόνου και για την παραγωγή βαρύτερων στοιχείων. Μπαίνοντας στη δεύτερη δεκαετία του 21 ου αιώνα οι ερευνητές συνεχίζουν τις προσπάθειες για τη δημιουργία καινούριων «εξωτικών» στοιχείων, τα οποία δεν είναι δυνατό να βρεθούν πουθενά στη Γη, παρά μόνο παρασκευάζονται για μικρό κάθε φορά χρονικό διάστημα στο εργαστήριο. 1 0 n 28

29 Τρία νέα στοιχεία, το νταρμστάντιο (Ds), το ρεντγκένιο (Rg) και το κοπερνίκειο (Cn), με ατομικούς αριθμούς 110,111 και 112 αντίστοιχα, προστέθηκαν στον Περιοδικό Πίνακα των χημικών στοιχείων το Και τα τρία στοιχεία ανακαλύφθηκαν από Γερμανούς ερευνητές και εγκρίθηκαν από τη γενική συνέλευση της Διεθνούς Ένωσης Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC), που συνεδρίασε στο Ινστιτούτο Φυσικής του Λονδίνου. Προς το παρόν, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν πολλά πράγματα για κανένα από τα τρία, καθώς δεν είναι αρκετά σταθερά για να μελετηθούν πειραματικά με άνεση χρόνου. Το νταρμστάντιο (στοιχείο 110) δημιουργήθηκε για πρώτη φορά το 1994 από ερευνητές ενός γερμανικού ερευνητικού κέντρου, κοντά στην πόλη Ντάρμσταντ, από όπου πήρε και το όνομά του. Τα πρώτα τέσσερα άτομα του νέου στοιχείου παρήχθησαν μετά από σύγκρουση ενός βαριού ισοτόπου του μολύβδου με νικέλιο-62. Το ρεντγκένιο (στοιχείο 111) ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1994, και πάλι στο ίδιο γερμανικό ερευνητικό κέντρο, όταν οι επιστήμονες δημιούργησαν τρία άτομά του, κάτι που επαναλήφθηκε το 2002, όταν παρήχθησαν τρία ακόμα άτομα. Εικόνα 5: Οι ηλεκτρονικές στοιβάδες του νταρμστάντιου Οι Γερμανοί ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά το 1996 να δημιουργήσουν ένα μεμονωμένο άτομο του άκρως ραδιενεργού κοπερνίκειου (στοιχείο 112), κάνοντας συγκρούσεις ψευδαργύρου και μολύβδου. Από τότε, έχουν παραχθεί και ανιχνευθεί συνολικά 75 άτομα του στοιχείου. Δύο νέα βαρέα στοιχεία, το φλερόβιο (Fl) και το λιβερμόριο (Lv), με ατομικούς αριθμούς 114 και 116 αντίστοιχα, προστέθηκαν στον Περιοδικό Πίνακα το Η δημιουργία του λιβερμορίου (στοιχείο 116) έγινε μέσω σύγκρουσης ιόντων ασβεστίου, με 20 πρωτόνια το καθένα, πάνω σε στόχους από κιούριο, με 96 πρωτόνια. Στη συνέχεια, σχεδόν αμέσως, το λιβερμόριο διασπάστηκε στο φλερόβιο (στοιχείο 114). Οι επιστήμονες, επίσης, κατάφεραν να δημιουργήσουν το φλερόβιο και με ξεχωριστό τρόπο, αντικαθιστώντας τον στόχο κιουρίου με στόχο πλουτωνίου, με 94 πρωτόνια. Εικόνα 6: Οι ηλεκτρονικές στοιβάδες του λιβερμορίου 29