Selama 90 tahun, penjelasan favorit sains untuk asal usul kehidupan adalah "sup purba". Tetapi penelitian terbaru menambah bobot ide alternatif.
Gambar melalui NOAA.
Oleh Arunas L Radzvilavicius, UCL
Selama hampir sembilan dekade, penjelasan favorit sains untuk asal usul kehidupan adalah "sup purba". Ini adalah gagasan bahwa kehidupan berawal dari serangkaian reaksi kimia di kolam hangat di permukaan Bumi, dipicu oleh sumber energi eksternal seperti sambaran petir atau sinar ultraviolet (UV). Tetapi penelitian baru-baru ini menambah bobot gagasan alternatif, bahwa kehidupan muncul jauh di dalam lautan di dalam struktur batu yang hangat yang disebut lubang hidrotermal.
Sebuah studi yang diterbitkan bulan lalu di Nature Microbiology menunjukkan leluhur bersama terakhir dari semua sel hidup yang diberi makan gas hidrogen di lingkungan yang kaya akan zat besi, mirip dengan yang ada di ventilasi. Para pendukung teori konvensional telah skeptis bahwa temuan ini harus mengubah pandangan kita tentang asal usul kehidupan. Tetapi hipotesis lubang hidrotermal, yang sering digambarkan sebagai eksotis dan kontroversial, menjelaskan bagaimana sel-sel hidup berevolusi kemampuan untuk mendapatkan energi, dengan cara yang tidak mungkin terjadi dalam sup purba.
Di bawah teori konvensional, kehidupan seharusnya dimulai ketika petir atau sinar UV menyebabkan molekul sederhana bergabung bersama menjadi senyawa yang lebih kompleks. Ini memuncak dalam penciptaan molekul penyimpan informasi yang mirip dengan DNA kita sendiri, bertempat di dalam gelembung pelindung sel primitif. Eksperimen laboratorium mengkonfirmasi bahwa jumlah jejak molekul pembangun molekul yang membentuk protein dan molekul penyimpan informasi memang dapat dibuat dalam kondisi ini. Bagi banyak orang, sup primordial telah menjadi lingkungan yang paling masuk akal bagi asal sel hidup pertama.
Tetapi hidup bukan hanya tentang mereplikasi informasi yang tersimpan dalam DNA. Semua makhluk hidup harus bereproduksi untuk bertahan hidup, tetapi mereplikasi DNA, mengumpulkan protein baru dan membangun sel dari awal membutuhkan energi yang luar biasa. Inti kehidupan adalah mekanisme untuk memperoleh energi dari lingkungan, menyimpan dan terus menyalurkannya ke dalam reaksi metabolik utama sel.
Apakah kehidupan berkembang di sekitar lubang hidrotermal laut dalam? Gambar melalui Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional AS / Wikimedia Commons.
Dari mana energi ini berasal dan bagaimana energi itu ada, dapat memberi tahu kita banyak hal tentang prinsip-prinsip universal yang mengatur evolusi dan asal usul kehidupan. Studi terbaru semakin menunjukkan bahwa sup primordial bukan jenis lingkungan yang tepat untuk mendorong energi sel hidup pertama.
Ini pengetahuan buku klasik bahwa semua kehidupan di Bumi ditenagai oleh energi yang disuplai oleh matahari dan ditangkap oleh tanaman, atau diekstraksi dari senyawa sederhana seperti hidrogen atau metana. Yang jauh kurang diketahui adalah kenyataan bahwa semua kehidupan memanfaatkan energi ini dengan cara yang sama dan sangat aneh.
Proses ini bekerja sedikit seperti bendungan listrik tenaga air. Alih-alih secara langsung menyalakan reaksi metabolisme inti mereka, sel menggunakan energi dari makanan untuk memompa proton (atom hidrogen yang bermuatan positif) ke dalam reservoir di belakang membran biologis. Ini menciptakan apa yang dikenal sebagai "gradien konsentrasi" dengan konsentrasi proton yang lebih tinggi di satu sisi membran daripada yang lain. Proton kemudian mengalir kembali melalui turbin molekuler yang tertanam di dalam membran, seperti air yang mengalir melalui bendungan. Ini menghasilkan senyawa berenergi tinggi yang kemudian digunakan untuk memberi daya pada aktivitas sel lainnya.
Kehidupan dapat berevolusi untuk mengeksploitasi sumber energi yang tak terhitung jumlahnya yang tersedia di Bumi, dari panas atau pelepasan listrik ke bijih radioaktif alami. Sebaliknya, semua bentuk kehidupan didorong oleh perbedaan konsentrasi proton melintasi membran sel. Ini menunjukkan bahwa sel-sel hidup paling awal memanen energi dengan cara yang serupa dan bahwa kehidupan itu sendiri muncul dalam lingkungan di mana gradien proton adalah sumber daya yang paling mudah diakses.
Melampiaskan hipotesis
Studi terbaru berdasarkan set gen yang mungkin telah hadir dalam sel hidup pertama melacak asal usul kehidupan kembali ke ventilasi hidrotermal laut dalam. Ini adalah struktur geologis berpori yang dihasilkan oleh reaksi kimia antara batuan padat dan air. Cairan alkali dari kerak bumi mengalir ke ventilasi menuju air laut yang lebih asam, menciptakan perbedaan konsentrasi proton alami yang sangat mirip dengan yang memberi daya pada semua sel hidup.
Studi menunjukkan bahwa pada tahap paling awal evolusi kehidupan, reaksi kimia dalam sel primitif kemungkinan didorong oleh gradien proton non-biologis ini. Sel kemudian belajar bagaimana menghasilkan gradien mereka sendiri dan melarikan diri dari lubang angin untuk menjajah sisa lautan dan akhirnya planet ini.
Sementara para pendukung teori sup purba berpendapat bahwa pelepasan elektrostatik atau radiasi ultraviolet Matahari mendorong reaksi kimia pertama kehidupan, kehidupan modern tidak didukung oleh sumber energi yang mudah menguap ini. Alih-alih, inti dari produksi energi kehidupan adalah gradien ion melintasi membran biologis. Tidak ada yang bahkan mirip dari jarak jauh dapat muncul di dalam kolam hangat dari kaldu purba di permukaan Bumi. Dalam lingkungan ini, senyawa kimia dan partikel bermuatan cenderung terdilusi secara merata alih-alih membentuk gradien atau keadaan non-kesetimbangan yang sangat penting bagi kehidupan.
Ventilasi hidrotermal laut dalam mewakili satu-satunya lingkungan yang diketahui yang bisa menciptakan molekul organik kompleks dengan jenis mesin yang memanfaatkan energi sama seperti sel modern. Mencari asal usul kehidupan dalam sup purba masuk akal ketika sedikit yang diketahui tentang prinsip-prinsip universal energetika kehidupan. Tetapi ketika pengetahuan kita berkembang, sekarang saatnya untuk merangkul hipotesis alternatif yang mengakui pentingnya fluks energi yang mendorong reaksi biokimia pertama. Teori-teori ini secara mulus menjembatani kesenjangan antara energi sel hidup dan molekul tidak hidup.
Arunas L Radzvilavicius,, UCL
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel aslinya.