A Kepler űrtávcső árgus tekintete egyre több és több Földhöz hasonló bolygót tár fel a tudósok előtt. Pontosan olyat még nem sikerült találni mint szülőbolygónk, de az eddig felfedezett sokaságból úgy tűnik, hogy a galaxis igencsak bővelkedik a lakható bolygóban. Ezek a felfedezések óhatatlanul elő hoznak egy régi paradoxont.

Ahogy azt Enrico Fermi, a híres fizikus 1950-ben felvetette, ha a Föld egy tipikus bolygó, akkor rengeteg alkalmas hely van az életre, vajon miért nem találkoztunk még a földönkívüli életformákkal? Azóta több mint félévszázadnyi földönkívüli intelligencia kutatás (SETI) zajlott le, ennek ellenére sem rendelkezünk semmi kézzel fogható eredménnyel.

Persze a világegyetem, de még saját galaxisunk is elképesztően nagy, aminek fényében Frank Drake híresen optimista "egyenlete" a kommunikációra képes élet valószínűségéről is azt sugallja, hogy hihetetlenül szerencsések lennénk, ha belebotlanánk akárcsak egy intelligens idegen fajba. Drake maga is elismerte, hogy egyenlete önmagában aligha oldaná fel a Fermi-paradoxont, így ez a válasz senkit sem elégített ki különösebben.

Nem kell azonban megijedni, vannak mélyebb magyarázatok is. Lehet, hogy az idegen civilizációk egyetlen galaktikus szemvillanás alatt jelennek meg és tűnnek el, jóval azelőtt megsemmisítve önmagukat, hogy képessé válnának új bolygók gyarmatosítására, vagy az is lehet, hogy az élet a megfelelő, sőt tökéletes körülmények között is csak nagyon ritkán alakul ki. Ha kifelé, a világűrbe bámulva nem sikerül megválaszolni az ilyen jellegű kérdéseket, talán magunkba és bolygónkba tekintve találunk néhány nyomot, véli Nick Lane a University College London eredet kutatója.

A Földön csak egyszer alakult ki az élet, egyetlen árva mintából pedig nehéz messzemenő következtetéseket levonni, azonban ennél többről van szó. Ha megnézzük az élet egyik legfontosabb összetevőjét, az energiát, az önmagában azt sugallja, hogy bár az egyszerű élet gyakori a világegyetemben, azonban nem feltétlenül fejlődik összetettebb szintekre, magyarázza Lane, aki szerint a földi élet első megjelenése és a komplex élet kialakulása közötti hatalmas időintervallum egy másik, egészen különböző magyarázatra utalhat, ami az idegenek rejtőzködését illeti.

Az élő dolgok hatalmas energiamennyiséget fogyasztanak a puszta létük fenntartására. Az étel amit elfogyasztunk üzemanyaggá alakul, ez az ATP, az adenozin-trifoszfát az élő sejtek legfontosabb energiaforrása, amit folyamatosan újrahasznosítunk. Napi szinten is hatalmas mennyiség áramlik a testben ebből az enzimekből és biológiai katalizátorokból álló üzemanyagból, amik évmilliók alatt hangolódtak finomra, hogy a lehető legtöbb használható energia joule-t préseljék ki a kölcsönhatásokból.

Az első életet fenntartó enzimek nem lehettek ennyire hatékonyak, az első sejteknek pedig sokkal több, ezerszer, vagy akár milliószor több energiára volt szükségük a fejlődéshez és az osztódáshoz, mint a modern sejteknek, véli Lane (képünkön), hozzátéve, hogy ugyanennek igaznak kell lennie az egész világegyetemre. Ezt a hatalmas energiaszükségletet gyakran kihagyják a kutatók az élet eredetének tényezőiből.

Mi lehetett a kialakuló élet energiaforrása itt a Földön? A régi elképzelések, mint a villámlás, vagy az ultraibolya sugárzás nem állták ki a próbát. Eltekintve attól a ténytől, hogy egyetlen élő sejt sem szerzi így az energiát, nincs semmi, ami egy helyre fókuszálná azt. Az első élet nem volt képes az energia keresésére, tehát olyan közegben kellett magasabb szintre fejlődnie, ami bővelkedett energiában.

Ma az legtöbb élet a Napból nyeri energiáját, a fotoszintézis azonban összetett és valószínűleg az első élet még nem rendelkezett ilyen képességgel. Az élet történetének rekonstruálása, amit az egyszerű sejtek genomjának összehasonlításával próbálnak elérni, telis-tele van problémákkal, az egyetlen eredményük, hogy az összes tanulmány egy irányba mutat. A legelső sejtek látszólag az energiát és a szenet hidrogén és széndioxid gázokból nyerték. A H₂ és a CO₂ reakciója közvetlenül eredményez szerves molekulákat és energiát szabadít fel. Ez fontos, mivel nem elég csak egyszerű molekulákat alkotni, azokat össze kell fűzni hosszú láncokba, hogy megkapjuk az élet építőköveit, amihez ugyancsak rengeteg energia kell.

Lane szerint a második nyom, ami elvezethet az első élet energiaszerző módszeréhez, az az energiahasznosítási mechanizmus, ami minden ismert életformánál megtalálható. Ez a mechanizmus annyira váratlan volt, hogy két évtizeden át vitáztak rajta, mire 1961-ben Peter Mitchell brit biokémikus felvetette. Mitchell szerint a sejteket nem kémiai reakciók, hanem egyfajta elektromosság látja el energiával. A sejtek membránjában kis elektromos pumpák működnek, amik az elektronáramlás során felszabaduló energiát ATP szintézisre fordítják. Ez a pumpa hidrogén ionokat, protonokat pumpál a membránon keresztül. A felvetés annyira megdöbbentő volt, hogy senki sem hitt neki, végül 1978-ban ismerték el felfedezését egy kémiai Nobel-díjjal.

Mivel a protonok pozitív töltésűek, a koncentráció különbség körülbelül 150 millivolt elektromos feszültségkülönbséget kelt a membrán két oldala között. Ez nem tűnik soknak, de ne feledjük, hogy csupán egy milliméter ötmilliomod részéről beszélünk, így a térerősség ezen a parányi távolságon hatalmas, megközelítőleg 30 millió Volt méterenként, ami megfelel egy villámcsapás energiájának. Mitchell proton mozgató erőnek nevezte el ezt az elektromos hajtóerőt. A Földön minden sejtet egy erőtér lát el energiával, ami az élet számára ugyanolyan egyetemes, mint a genetikai kód. Ez az elképesztő elektromos potenciál közvetlenül megcsapolható, használható például a csillók mozgatására, vagy kiaknázható az energiában gazdag ATP üzemanyag előállítására.

Mindazonáltal a mód, ahogy ez az erőtér létrejön és megcsapolódik, rendkívül összetett. Az ATP-t alkotó enzim olyan, mint egy forgó motor, amit a protonok befelé irányuló áramlása működtet. A membrán potenciáljának létrehozásában egy protein, a NADH dehidrogenáz segédkezik, ezt egy mozgó hengerrel ellátott gőzgéphez lehetne hasonlítani, ami protonokat pumpál kifelé. Lane meggyőződése, hogy ezek az elképesztő nanoszkópikus gépek egy hosszú természetes kiválasztódás eredményei, kizártnak tartja, hogy a kezdetektől segítsék az életet, ami egy újabb paradoxont vet fel.

Az élet habzsolja az energiát és a "gazdaságtalan" ősi sejteknek elvileg sokkal inkább több, mintsem kevesebb energiára volt szükségük. Ennek a hatalmas energiamennyiségnek a legvalószínűbb származási helye egy proton gradiens, mivel a mechanizmus általánossága gyors kialakulást feltételez. De hogyan ért el olyasvalamit a korai élet, ami ma egy rendkívül körmönfont szerkezetet igényel? "Van egy egyszerű módja a nagy mennyiségű energia beszerzésének, ami azt mondatja velem, hogy valójában nem is volt olyan nehéz kialakulnia az életnek" - mondta Lane.

A Lane által preferált választ 20 évvel ezelőtt fogalmazta meg egy mélytengeri hidrotermális kürtőket tanulmányozó geológus, bizonyos Michael Russell, aki jelenleg a NASA Sugárhajtómű Laboratóriumában (JPL) dolgozik. A "mélytengeri kürtők" hallatán sokaknak az óriás csőlakó férgek által körülvett fekete füstölők ugranak be, Russell azonban valami sokkal egyszerűbbre gondolt, az alkáli hidrotermális kürtőkre. Ezek egyáltalán nem vulkanikusak és nem füstölnek. A tengervíz a Föld köpenyében található elektronban sűrű kőzetekbe történő átszűrődésével alakulnak ki. Ilyen a magnézium és vas-szilikát keverékéből álló olivin ásvány, ami a vízzel reakcióba lépve szerpentinkövet alkot, a folyamat pedig kitágítja és megrepeszti a kőzetet, még több vizet engedve be, állandósítja a reakciót. A szerpentinizáció lúgos - protonokban szegény - folyadékot eredményez, ami gazdag hidrogén gázban, és az ebből felszabaduló hő vezeti vissza ezeket a folyadékokat az óceán fenekére. Amikor találkoznak a hűvösebb óceáni vizekkel, az ásványok kicsapódnak, tornyosuló kürtőket alkotva, amik akár a 60 méteres magasságot is elérhetik. Az ilyen kürtők mindent biztosítanak, vagy inkább biztosítottak 4 milliárd évvel ezelőtt, ami az élet inkubálásához szükséges, ismerte fel Russell.

Akkoriban alig volt oxigén, így az óceánok bővelkedtek oldott vasban, illetve jóval több lehetett a széndioxid is, mint napjainkban, ami azt jelentette, hogy az óceánok enyhén savasak voltak, ezáltal proton többlettel rendelkeztek. Gondoljunk csak bele, mi történik egy ilyen helyzetben. A lyukacsos kürtök belsejében parányi, szorosan összefüggő sejtszerű üregek vannak, melyeket laza ásványfalak zárnak körül. Ezek a falak ugyanazokat a katalizátorokat, különböző vasakat, nikkelt és molibdén szulfidokat tartalmazzák, amit a mai sejtek proteinekbe ágyazva használnak a széndioxid szerves molekulákká alakításának katalizálásához. A hidrogénben gazdag folyadékok átszűrődnek ezen a katalitikus mikropórus labirintuson. Normál esetben nehéz reakcióra bírni a CO₂-t és a H₂-t, a globális felmelegedés csökkentésére irányuló CO₂ megkötés is pontosan ezzel a problémával küzd. A katalizátorok önmagukban nem elegendőek, az élő sejtek azonban nem csak katalizátorokkal ejtik foglyul a szenet, proton gradienseket használnak a reakcióhoz, a kürtők lúgos folyadékai és a savas víz között pedig ott van egy természetes proton gradiens.

Ez a természetes proton mozgató erő állna a szerves molekulák kialakulása mögött? Lane szerint ezt még korai lenne kijelenteni, azonban komolyan kutatja a lehetőséget és úgy véli, igen érdekes eredmények születhetnek a jövőben. Mit oldana meg, ha a válasz egyöntetűen igen lenne? "Nagyon sok mindent" - válaszol Lane. "Amint leomlik az akadály a CO₂ és a H₂ reakciója előtt, a folyamat felgyorsulhat. Különösen a lúgos hidrotermális kürtőket jellemző körülmények között a H₂ és a CO₂ kombinálása az élő sejtekben található molekulák - aminosavak, lipidek, cukrok és nukleobázisok előállításához valójában energiát szabadít fel"

Ebből a szemszögből a fent leírt folyamat már korántsem a termodinamika második főtételének egy rejtélyes kivétele, hanem az élet mozgatórugója. Ez egy planetáris kiegyensúlyozatlanság elkerülhetetlen következménye, amiben elektronban gazdag kőzeteket elválaszt az elektronban szegény, savas óceántól egy vékony kéreg, amit kürtőrendszerek lyuggatnak át, melyek ezt az elektromechanikai hajtóerőt sejtszerű rendszerekbe koncentrálják. A bolygóra egy hatalmas akkumulátorként tekinthetünk, míg a sejtre parányi akkukként, a kettő ugyanazon alapelvek szerint épül fel. Lane beismeri, hogy igen sok kitöltendő hiányosság és lépcsőfok van egy szerves molekulákat előállító elektromechanikus reaktor, és egy élő, lélegző sejt között, de vessünk egy pillantást az összképre.

Az élet eredetének igen rövid a bevásárlólistája: kőzet, víz és széndioxid. A víz és az olivin az univerzum legnagyobb mennyiségben rendelkezésre álló összetevői közé tartozik. A Naprendszerben sok bolygó légköre gazdag széndioxidban, ami arra utal, hogy ez is elég gyakori. A szerpentinesedés egy spontán reakció és bármelyik nedves, sziklás bolygón bekövetkezhet egészen nagy méreteken. Innen nézve az univerzumban hemzsegnie kellene az egyszerű sejteknek, vagyis az élet elkerülhetetlennek tűnik, ha megfelelőek a körülmények, ezért sem nevezhető meglepőnek, hogy itt a Földön szinte azonnal beindult amint lehetősége nyílt rá.

Mi következik ezután? Általános nézet, hogy amint kialakul az egyszerű élet, az fokozatosan összetettebb formákba fejlődik, ugyancsak a megfelelő körülmények között. A "Földön azonban nem ez történt. Azt követően, hogy először megjelentek az egyszerű sejtek elképesztően hosszú idő - évmilliárdok teltek el, mire kifejlődtek az összetett sejtek" - magyarázta Lane. "Mitöbb, az egyszerű sejtek csupán egyszer fejlődtek komplexekké négymilliárd év evolúciója során, ami megdöbbentő, gyakorlatilag egy anomália, ami arra utal, hogy mindez talán csak egy véletlen műve"

Ha az egyszerű sejtek az évmilliárdok alatt lassan fejlődtek volna komplexekké, akkor mindenféle köztes sejtnek kellene még ma is létezni. Ilyen azonban egy sincs, csupán egy egy hatalmas szakadék tátong, aminek az egyik oldalán a mind méretét, mind genetikai állományát tekintve parányi baktérium helyezkedik el, amit a szelekció a végletekig leegyszerűsített. A másik oldalon ott vannak a hatalmas és lomha eukarióta sejtek, amik tizenötezerszer nagyobbak a baktériumoknál.

A Földön minden komplex élet - legyen az növény, állat, gomba stb. - eukarióta és egyazon ősből fejlődtek ki, tehát az eukarióta sejtek ősét létrehozó egyszeri esemény nélkül nem lettek volna növények, halak, dinoszauruszok és majmok. Az egyszerű sejteknek nincs meg a megfelelő sejt architektúrája, hogy összetettebb formákba fejlődjenek.

Hogy miért? Ezzel kapcsolatban Lane nem rég végzett egy kutatást a német Düsseldorfi Egyetem sejtbiológusával, Bill Martinnal, kiszámítva a különböző sejtek metabolikus arányaiból és genom méreteiből, mennyi energia lenne elérhető az egyszerű sejteknek, hogy nagyobbá fejlődjenek. A kutatópáros felfedezte, hogy a nagyobbá válás hatalmas energetikai hátrányt jelent. Ha egy baktériumot eukariótai méretre szeretnénk növelni, akkor több tízezerszer kevesebb energiája lenne génenként, mint az ugyanakkora eukariótának. A sejteknek rengeteg génenkénti energiára van szükségük, mivel egy génből proteint alkotni igen energiaigényes folyamat. A sejt energiájának nagy részét a fehérjék előállítása emészti fel, egy egyszerű sejt azonban kizárólag a membránjából nyeri az energiát és ahogy nő, úgy fogy ki az energiából. Lehet, hogy rengeteg helyet biztosít a gének számára, a proteintermeléshez azonban nem marad elég ereje.

Ha körülnézünk a természetben, aligha tűnik megalapozottnak, hogy a baktérium semmit nem nyerne a nagyobbá válásból, mivel léteznek óriás baktériumok, amik meghaladják sok összetett sejt méretét. Ilyen a tengeri felcserhal beleiben tanyázó Epulopiscium, ami saját teljes genomjának 200 másolatát hordozza magában. Miért van egy óriás baktériumnak ennyi másolatra szüksége? Emlékezzünk vissza arra, hogy a sejt a membrán mentén lévő erőtérből gyűjti be az energiát, ha elvesztik az uralmat a membránfeszültség felett, elpusztulnak. Közel 20 évvel ezelőtt John Allen biokémikus felvetette, hogy a genomok nélkülözhetetlenek a membránfeszültség kontrollálásához, amit a fehérjetermelés kontrollálásával érnek el, ez egyaránt igaznak tűnik az eukariótákra és az egyszerű sejtekre is.

Ahhoz, hogy nagyobbá és összetettebbé fejlődjenek, több energiát kell előállítaniuk. Az egyetlen mód, amivel ezt az egyszerű sejtek elérhetik, hogy kitágítják az energiabegyűjtéshez használt membránjuk területét. A membránfeszültség kontrollálásához azonban további másolatokra van szükségük teljes genomjukból, miközben nem nyernek semmilyen energiát másolatonként, más szavakkal minél több gént szerez egy egyszerű sejt, annál kevesebbet tud kezdeni velük. Egy génektől hemzsegő genom, amit nem lehet használni, semmilyen előnnyel nem jár. Ez egy komoly gát a komplexebbé válás rögös útján, mivel egy hal, vagy egy fa megalkotásához több ezerszerese kell annak a génmennyiségnek, amivel egy baktérium rendelkezik.

Az eukariótáknak sikerült megoldani ezt a problémát, méghozzá a mitokondrium megszerzésével. Körülbelül 2 milliárd évvel ezelőtt egy egyszerű sejt valahogy bejutott egy másik belsejébe. A gazdasejt kiléte nem egyértelmű, azt azonban tudjuk, hogy egy baktériumot szerzett meg magának, ami elkezdett osztódni ebben a bizonyos sejtben. Ezek a sejt a sejtben megoldások sikeresek voltak. Azok, amik gyorsabban szaporodtak anélkül, hogy elvesztették volna energiatermelő képességüket, jobban érvényesültek a következő generációban, ez pedig így ment tovább. Generáció generációt követett, az endoszimbionta baktérium pedig parányi generátorokká alakult, melyben megvolt az ATP előállításához szükséges membrán és a membránfeszültség kontrollálásához szükséges genom is. A legfontosabb azonban, hogy az átalakulás során minden felesleges sallangot elveszítettek, és csak a legszükségesebb elemeik maradtak meg, ahogy azt a baktériumoktól megszokhattuk. A mitokondriumnak eredetileg talán 3000 génből állhatott a genomja, mára mindössze 40 körüli maradt.

A gazdasejt egy másik történet. Ahogy a mitokondriális genom zsugorodott, a gazdagénenkénti energia növekedni kezdett, így képessé váltak génállományuk növelésére. Az ATP áradatban, amit a mitokondriumok hada biztosított, szabadon halmozhatták fel a DNS-t és egyre nagyobbá váltak. Ezek a hatalmas génállományok biztosították azt a nyersanyagot, ami a komplex élet evolúciójához vezetett. A mitokondrium nem vezetett törvényszerűen a komplexitáshoz, viszont lehetővé tette. Nehéz elképzelni másik utat az energiaprobléma megkerüléséhez, és tudjuk, hogy ez csak egyszer ment végbe a Földön, mivel minden eukarióta egyetlen közös ős leszármazottja.

Az összetett élet megjelenése a fentiek alapján egy egyszeri szerencsés esetnek tűnik, melyben egy egyszerű sejt megszerzett magának egy másikat. Ezek a találkozások gyakoriak lehetnek az összetett sejteknél, azonban rendkívül ritkák az egyszerű sejteknél, és maga a végkimenetel sem volt egyértelmű. A két fél rengeteg bonyolult átalakuláson ment át, mire leszármazottjaik fejlődésnek indulhattak.

Mindez nem sok jóval kecsegtet az intelligens földönkívüliek utáni kutatások terén. Azt jelenti, hogy nem létezik elkerülhetetlen evolúciós pálya az egyszerűből az összetett élet felé. A soha véget nem érő természetes kiválasztódás a baktériumok ugyancsak véget nem érő populációin talán évmilliárdok alatt sem vezet el a komplexitáshoz. A baktériumoknak egyszerűen nincs meg a megfelelő architektúrájuk, nem is energia téren korlátozottak, a probléma akkor válik szembetűnővé, amikor megvizsgáljuk, mi szükséges fizikai és genom méretük növeléséhez, csak ekkor láthatjuk mekkora szakadékban toporognak, amiből képtelenek kiszabadulni.

Mik tehát az élet esélyei? Furcsa lenne, ha az egyszerű élet nem lenne gyakori a világegyetemben. Az egyszerű sejtekhez csupán víz, kőzet és széndioxid szükséges. Korai megjelenésük a Földön koránt sem nevezhető meglepőnek. "A Drake egyenlet optimista feltételezése szerint azoknak a bolygóknak, amiken kialakul az élet, 1 százalékuk fejlődik intelligenssé. Azonban ha igazam van, a komplex élet egyáltalán nem sorsszerű" - összegzett Lane. "Mindössze egyszer alakult ki az elmúlt 4 milliárd évben, egy ritka, véletlen eseménynek köszönhetően, így minden okunk meglehet annak feltételezésére, hogy egy hasonló fura véletlen nélkül a világegyetem más részén sem kapunk összetett életet. Semmi más nem tud áttörni a komplexitás energiakorlátján"

Ez az érvelés arra utal, hogy bár a Föld-szerű bolygókon hemzseghet az egyszerű élet, nagyon kevés alakulhat valaha is komplex sejtekké, vagyis minimális lehetőség nyílik a növények és állatok kifejlődésére, nem is szólva az intelligens életről. Tehát, ha fel is fedeznénk egyszerű sejteket a Marson, az még nem sokat mondana arról, milyen gyakori az összetett élet az univerzum más területein.

Mindez segíthet megmagyarázni, miért nem találtuk soha az idegenek jeleit. Természetesen más magyarázatok is születtek, például más bolygókon az életet általában jóval azelőtt elsöprik az olyan katasztrofális események, mint a gamma sugár kitörések, hogy az intelligens idegeneknek esélyük lenne kifejlődni, ami ugyancsak egy tényező lehet. Ha ez is igaz, akkor valóban minimális az esély más intelligens életformákra a galaxisban. Lane szerint, ha okfejtése mégsem helytálló és akár a szomszédos bolygórendszerekben is léteznek intelligens lények, egy valami akkor is bizonyos, nekik is van egy megfelelőjük a mitokondriumra.