Na początku był wodór. H2 od dawna napędza życie na Ziemi

Znieczula nas owa zatem cywilizacja na dość prostą i oczywistą dla biologów prawdę, że człowiek nic tam sam wielkiego nie wymyśla, a jedynie odkrywa procesy od zarania życia na Ziemi prowadzone przez te czy inne żywe komórki. Z tego, co dziś na naszym globie się wytwarza masowo, natura nie wymyśliła jedynie plastiku i dlatego właśnie z nim sobie nie radzi.

Cóż to jednak może mieć wspólnego z energetyką? Otóż na łamach niedawnego numeru prestiżowego pisma naukowego „PNAS” ukazało się badanie uczonych reprezentujących Uniwersytet im. Heinricha Heinego w Düsseldorfie (zespół Williama F. Martina) oraz z Instytutu Mikrobiologii Ziemi Maxa Plancka (MPI) w Marburgu (zespół Martiny Preiner) dotyczące czerpania energii z wodoru cząsteczkowego … Nie, nie w silnikach naszych samochodów, ale u początków życia.

Zacznijmy od tego, że wodór cząsteczkowy, dziś przedstawiany wyłącznie jako „czyste paliwo”, które spala się w tlenie zawartym w powietrzu, „dostarczając energię bez CO2”, jako zatem „klucz do zrównoważonej energii przyszłości”, jest nie tylko odwieczny, ale nawet przedwieczny. H2+ (jon wodorowy) był jedną z pierwszych cząsteczek, które powstały po Wielkim Wybuchu. Jego składniki powstały bowiem bardzo wcześnie we Wszechświecie. To dwa jądra wodoru (protony) i jeden elektron. Elektron wiąże ze sobą dwa protony, tworząc cząsteczkę. We Wszechświecie zaś cała materia to zasadniczo wodór i hel – reszta tablicy Mendelejewa to absolutne okrawki i wyskrobki. Zauważmy też, że pomysł na to, by z wodoru robić hel, to fuzja termojądrowa zachodząca na Słońcu, skąd nam ono świeci, dostarczając energii. Tyle o wodorze kosmicznym, choć da się znacznie dłużej.

Przejdźmy do energii życiowej. Jak zauważa słusznie biuro prasowe düsseldorfskiego uniwersytetu: „chociaż ludzie dopiero teraz zaczynają zdawać sobie sprawę z zalet H2, mikroorganizmy wiedziały, że cząsteczkowy wodór jest dobrym paliwem tak długo, jak istniało życie na Ziemi”. Jak to możliwe? Przecież w szkole uczą nas właśnie o energii słonecznej i fotosyntezie jako jedynej i pierwotnie niezbędnej samożywności… Nic bardziej błędnego. Kto zajrzał do wnętrza chloroplastu zwanego we wczesnej podstawówce „ciałkiem zieleni” ten wie, że żaden ewolucyjny cud nie powołałby do istnienia tak skomplikowanej maszynerii tak z niczego. Ergo, jak byśmy czekali, by życie na Ziemi zaczęło się od fotosyntezy, to jeszcze byśmy na nie czekali.

Co innego chemostnteza, zwana uczenie „chemilitoautotrofią” – co oznacza, iż nadal komórka bakteryjna odżywia się CO2 (czyli tak jak roślina w fotosyntezie), ale oddycha w tym celu (czyli energię czerpie z) wodorem, a nie tlenem. Trzeba „zabrać” jeden elektron z wodoru cząsteczkowego, to się go „ściąga” (w dzisiejszych komórkach enzymatycznie, ale drzewiej inaczej bywało, choć tu bez katalizy ani rusz, bo owo ściąganie jest w istocie wpychaniem pod górę), a następnie przerzuca na CO2, którego nie brak w okolicy. Gdzie bowiem miał miejsce ów cud początków życia i owo wysysanie energii z wodoru?

Pierwsze ziemskie komórki wg solidnie dziś udokumentowanej hipotezy, pozyskiwały energię z H2, a węgiel do budowy własnego organicznego ciała z CO2, obu wytwarzanych aż w nadmiarze w kominach hydrotermalnych. To są wyloty podmorskich wulkanów, ukrytych na dnie ryftów oceanicznych, dymiące, gdy my sobie spokojnie śpimy i nic o nich nie wiemy. Tam, choć to brzmi jak historia z „Matrixa”, po dnie suną albinotyczne kraby, dokoła zaś, przytwierdzone do dna niczym rośliny, żywot wiodą gigantyczne ryftowe robaki, przypominające solidne członki (powiedzmy, że ramiona, ale niech każdy sobie wygugla obrazek takiego Riftia pachyptila), dokoła niemało też zbielałych małży. Bielactwo to wynika z kompletnych panujących tamże ciemności, nie dociera tam bowiem światło słoneczne – skoro nie ma światła, to po co komu kolory? Cała zaś dosłownie oaza rozwija się w oparciu o wytrwałe zamienianie energii wodoru i węgla z dwutlenku we własne ciała przez pewne szczególne bakterie siarkowe wypełniające do krwistej czerwoności ciała robali i małż. Kraby żyją na resztkach z ciał tychże, ryby zaś – głównie węgorzowate – są tu drapieżnikiem szczytowym.

Można żyć bez Słońca? Można. I to w warunkach życiu w ogóle urągających, bo przesyconych siarkowodorem, siarczkami metali, w temperaturze 60-70 st. C i zasoleniu od 25 do 28 proc. (czyli jakieś 4 łyżeczki soli kuchennej na pół szklanki  wody). No piekło po prostu. A jednak tam właśnie cały ekosystem opiera się o energię czerpaną z wodoru. Badać to jednak in situ trudno, bo trzeba mieć bardzo solidny batyskaf i bardzo dużo odwagi i samozaparcia, ekosystem ten bowiem nie cierpi bycia wyciąganym do niższych ciśnień, ergo nie da się go długo utrzymywać laboratoryjnie.

Jak opisują to autorzy badania z „PNAS”: „Teorie autotroficzne dotyczące pochodzenia metabolizmu zakładają, że pierwsze komórki zaspokajały swoje zapotrzebowanie na węgiel z CO2 i były chemolitoautotrofami, które pozyskiwały energię i elektrony z H2. Szlak acetylo-CoA wiązania CO2 ma kluczowe znaczenie dla tego poglądu ze względu na jego starożytność. Spośród znanych szlaków wiązania CO2 jest to jedyny, który jest i) egzoergiczny, ii) występuje zarówno u bakterii, jak i archeonów oraz iii) może zostać funkcjonalnie zastąpiony w całości za pomocą pojedynczych katalizatorów z metali przejściowych in vitro”.

Owo zdanie ostatnie jest kluczowe – okazuje się bowiem, że to, co w naszych dzisiejszych warunkach (pH koło 7, zasolenie ok. 1 proc., temperatura raczej poniżej 40 st. C) wymaga białkowych enzymów, mogło się w bardzo odmiennych warunkach odbywać zasadniczo nie dzięki skomplikowanym białkowym cząsteczkom kodowanym przez gigantyczne fragmenty DNA, ale dzięki katalizie jonami metali. A czego, jak czego, ale jonów metali w oazach hydrotermalnych nie brak.

Niemieckie badanie pokazuje, że przy pH 8,5, typowym dla naturalnie zasadowych kominów podmorskich wulkanów, nie są wymagane żadne białka, bo wiązanie H–H w H2 rozszczepia się na powierzchni żelaza, wytwarzając protony, które są zużywane przez dookolną wodę alkaliczną, i elektrony, które następnie są łatwo przenoszone bezpośrednio na niezbędny biologiczny nośnik elektronów, ferredoksynę.

Komórki nie są jednak perpetuum mobile. Aby jeden elektron mógł się od cząsteczki wodoru oderwać i stać „czystą energią”, potrzeba go na stosowny dystans oddalić od dodatniego protonowego jądra wodoru. Komórki, okazuje się, „wysyłają dwa elektrony obecne w cząsteczkowym wodorze różnymi drogami. Jeden elektron schodzi tak bardzo w dół, że wprawia w ruch coś w rodzaju syfonu, który może energetycznie wypychać/pociągać drugi elektron w górę. Proces ten nazywany jest bifurkacją elektronów”.

Zapytano w niemieckim badaniu: w jaki sposób H2 był wykorzystywany do szlaków wiązania CO2, zanim pojawiły się skomplikowane białka? Wspomniana wyżej jego współautorka, chemik, wykazała, że odpowiedzi dostarczają metale. U początków życia, w pradawnych warunkach środowiskowych, wypychały one jeden elektron z H2 „w górę”, co daje się dziś dosłownie zobaczyć, bo relikty tej pierwotnej chemii są zachowane w biologii współczesnych komórek. By jednak ten komórkowy molekularny silnik wodorowy działał, H2 musi być produkowane przez dookolne środowisko tych podmorskich oaz, gdzie gorąca woda wchodzi w interakcję ze skałami zawierającymi żelazo, tworząc gigantyczne ilości cząsteczkowego wodoru, a jednocześnie tworząc żelazo rodzime, metaliczne i błyszczące, z jego mineralnych rud.

Życie czerpiące energię z wodoru pozostawało ukryte przed naszymi oczami aż do lat 70. ubiegłego wieku. Pozostaje schowane w głębinach, dając dziś jedynie świadectwo, jak to było na początku, zanim wyewoluowały komórki takie, jakie znamy dziś. Potem, właśnie gdy zaczęła pojawiać się fotosynteza, a następnie oddychanie tlenowe niezbędne nie tyle, by pozyskiwać energię, ile by jakoś radzić sobie z toksycznością tlenu, ten świat pierwszy, oparty o energię z wodoru, a nie ze spalania w tlenie (czy rozpadu organicznego), niemal zanikł. Jest ekologiczną „żywą skamieniałością”.

Jeśli to się nie nazywa gigantyczna transformacja energetyczna planety, to ja nie wiem, co nią jest. Trzeba się takim systemom biologicznym przyglądać. Może się okazać, że skoro istnieją i mimo wszystko trwają, robią tę energię z wodoru wydajniej i bezpieczniej niż cokolwiek, co do tej pory w tej materii wymyślił człowiek.

Źródło: Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Mar 26;121(13):e2318969121. doi:10.1073/pnas.2318969121. Epub 2024 Mar 21.

Magdalena Kawalec-Segond, popularyzatorka nauki, twórca Naukovo.pl