Życie na Ziemi pojawiło się ponad 3,5 miliarda lat temu - trudno precyzyjniej określić ten moment, choćby dlatego, że nie jest łatwo wyznaczyć granicę między „prawie żywym” a „prawdziwie żywym”. Możemy jednak z całą pewnością powiedzieć, że ten magiczny moment trwał wiele, długich milionów lat. Mimo wszystko był to prawdziwy cud.
Aby docenić ten cud w jego prawdziwej wartości, należy zapoznać się z szeregiem współczesnych teorii opisujących różne opcje i etapy narodzin życia. Od energicznego, ale pozbawionego życia zestawu prostych związków organicznych do protoorganizmów, które zaznały śmierci i weszły w niekończącą się rasę zmienności biologicznej. W końcu czy te dwa terminy - zmienność i śmierć - nie są podstawą całej sumy życia?
1. Panspermia
Hipoteza o sprowadzeniu życia na Ziemię z innych ciał kosmicznych ma wielu autorytatywnych obrońców. Stanowisko to zajmowali wielki niemiecki naukowiec Hermann Helmholtz i szwedzki chemik Svante Arrhenius, rosyjski myśliciel Vladimir Vernadsky i brytyjski lord fizyk Kelvin. Jednak nauka jest domeną faktów, a po odkryciu promieniowania kosmicznego i jego niszczycielskiego wpływu na wszystkie żywe istoty wydawało się, że panspermia umiera.
Ale im głębiej naukowcy zagłębiają się w ten problem, tym więcej wyłania się niuansów. Tak więc teraz - włączając w to liczne eksperymenty na statkach kosmicznych - traktujemy znacznie poważniej zdolność organizmów żywych do tolerowania promieniowania i zimna, braku wody i innych „radości” przebywania w kosmosie. Znaleziska wszelkiego rodzaju związków organicznych na asteroidach i kometach, w odległych gromadach gazu i pyłu oraz obłokach protoplanetarnych są liczne i niewątpliwie. Jednak twierdzenia o odkryciu w nich śladów czegoś podejrzanie przypominającego mikroby pozostają niesprawdzone.
Łatwo zauważyć, że pomimo całej swojej fascynacji teoria panspermii przenosi kwestię pochodzenia życia tylko w inne miejsce i czas. Cokolwiek sprowadziło pierwsze organizmy na Ziemię - czy to przypadkowy meteoryt, czy przebiegły plan wysoko rozwiniętych kosmitów, musiały się gdzieś i jakoś urodzić. Nie pozwólmy tu i dużo dalej w przeszłości - ale życie musiało wyrosnąć z martwej materii. Pytanie „Jak?” pozostaje.
Film promocyjny:
1. Nienaukowe: spontaniczne generowanie
Spontaniczne pochodzenie wysoko rozwiniętej materii żywej z materii nieożywionej - jak narodziny larw much w gnijącym mięsie - można powiązać z Arystotelesem, który uogólnił myśli wielu poprzedników i sformułował holistyczną doktrynę spontanicznego rodzenia się. Podobnie jak inne elementy filozofii Arystotelesa, spontaniczne pokolenie było dominującą doktryną w średniowiecznej Europie i cieszyło się pewnym poparciem aż do eksperymentów Louisa Pasteura, który ostatecznie wykazał, że nawet larwy much wymagają pojawienia się much rodzicielskich. Nie mylcie spontanicznego pokolenia z nowoczesnymi teoriami abiogenicznego pochodzenia życia: różnica między nimi jest fundamentalna.
2. Bulion podstawowy
Ta koncepcja jest ściśle związana z klasycznymi eksperymentami, którym udało się uzyskać status lat pięćdziesiątych XX wieku przez Stanleya Millera i Harolda Ureya. W laboratorium naukowcy przeprowadzili modelowanie warunków, jakie mogą istnieć w pobliżu powierzchni młodej Ziemi - mieszanina metanu, tlenku węgla i wodoru cząsteczkowego, liczne wyładowania elektryczne, światło ultrafioletowe - i wkrótce ponad 10% węgla z metanu zostało przekształcone w różne cząsteczki organiczne. W eksperymentach Millera-Urey'a uzyskano ponad 20 aminokwasów, cukrów, lipidów i prekursorów kwasów nukleinowych.
Współczesne odmiany tych klasycznych eksperymentów wykorzystują znacznie bardziej wyrafinowane konfiguracje, które lepiej pasują do warunków wczesnej Ziemi. Symulują wpływ wulkanów poprzez emisję siarkowodoru i dwutlenku siarki, obecność azotu itp. Naukowcom udaje się więc uzyskać ogromną i zróżnicowaną ilość materii organicznej - potencjalnego budulca potencjalnego życia. Głównym problemem tych eksperymentów pozostaje racemat: izomery optycznie czynnych cząsteczek (takich jak aminokwasy) powstają w mieszaninie w równych ilościach, podczas gdy całe znane nam życie (z nielicznymi i dziwnymi wyjątkami) obejmuje tylko L-izomery.
Jednak wrócimy do tego problemu później. W tym miejscu należy również dodać, że niedawno - w 2015 roku - profesor z Cambridge John Sutherland i jego zespół wykazali możliwość tworzenia wszystkich podstawowych „cząsteczek życia”, składników DNA, RNA i białek z bardzo prostego zestawu składników wyjściowych. Głównymi bohaterami tej mieszanki są cyjanowodór i siarkowodór, które nie są tak rzadkie w kosmosie. Do nich pozostaje dodanie niektórych minerałów i metali, które są obecne w wystarczających ilościach na Ziemi, takich jak fosforany, sole miedzi i żelaza. Naukowcy opracowali szczegółowy schemat reakcji, który mógłby z powodzeniem stworzyć bogatą „pierwotną zupę”, w której pojawiłyby się polimery, i weszła w grę pełnoprawna ewolucja chemiczna.
Hipoteza abiogennego pochodzenia życia z „organicznego bulionu”, który był testowany w doświadczeniach Millera i Ureya, została wysunięta w 1924 r. Przez radzieckiego biochemika Aleksandra Oparina. I choć w „ciemnych latach” rozkwitu Łysenkoizmu naukowiec stanął po stronie przeciwników genetyki naukowej, to jego zasługi są ogromne. W uznaniu roli akademika jego nazwisko nosi główną nagrodę przyznaną przez International Scientific Society for the Study of the Origin of Life (ISSOL) - Medal Oparina. Nagroda przyznawana jest co sześć lat i wielokrotnie przyznawana była zarówno Stanleyowi Millerowi, jak i wybitnemu badaczowi chromosomów, laureatowi nagrody Nobla Jackowi Shostakowi. Doceniając ogromny wkład Harolda Ureya, ISSOL przyznaje Medal Urey'a pomiędzy Medalem Oparina (również co sześć lat). Rezultatem jest wyjątkowa, prawdziwie ewolucyjna nagroda - o zmiennej nazwie.
3. Ewolucja chemiczna
Teoria próbuje opisać przemianę stosunkowo prostych substancji organicznych w dość złożone układy chemiczne, prekursory samego życia, pod wpływem czynników zewnętrznych, mechanizmów selekcji i samoorganizacji. Podstawową koncepcją tego podejścia jest „szowinizm wodno-węglowy”, przedstawiający te dwa składniki (wodę i węgiel - NS) jako absolutnie konieczne i kluczowe dla powstania i rozwoju życia na Ziemi lub gdzieś poza nią. A głównym problemem pozostają warunki, w których „szowinizm wodno-węglowy” może rozwinąć się w bardzo wyrafinowane kompleksy chemiczne, zdolne przede wszystkim do samoreplikacji.
Zgodnie z jedną z hipotez, pierwotna organizacja cząsteczek mogła zachodzić w mikroporach minerałów ilastych, które odgrywały rolę strukturalną. Szkocki chemik Alexander Graham Cairns-Smith wysunął ten pomysł kilka lat temu. Złożone biomolekuły mogą osadzać się i polimeryzować na ich wewnętrznej powierzchni, tak jak na macierzy: izraelscy naukowcy wykazali, że takie warunki umożliwiają wzrost wystarczająco długich łańcuchów białkowych. Tutaj mogą gromadzić się wymagane ilości soli metali, które odgrywają ważną rolę jako katalizatory reakcji chemicznych. Ściany gliniane mogłyby pełnić funkcję błon komórkowych, dzieląc „wewnętrzną” przestrzeń, w której zachodzą coraz bardziej złożone reakcje chemiczne i oddzielając ją od zewnętrznego chaosu.
Powierzchnie minerałów krystalicznych mogą służyć jako „matryce” do wzrostu cząsteczek polimeru: przestrzenna struktura ich sieci krystalicznej jest w stanie wybierać tylko izomery optyczne jednego typu - na przykład L-aminokwasy - rozwiązując problem, o którym mówiliśmy powyżej. Energia dla pierwotnego „metabolizmu” mogłaby być dostarczona przez reakcje nieorganiczne, takie jak redukcja mineralnego pirytu (FeS2) wodorem (do siarczku żelaza i siarkowodoru). W tym przypadku ani piorun, ani promieniowanie ultrafioletowe nie są potrzebne do pojawienia się złożonych biomolekuł, jak w eksperymentach Millera-Urey'a. Oznacza to, że możemy pozbyć się szkodliwych aspektów ich działania.
Młoda Ziemia nie była chroniona przed szkodliwymi - a nawet śmiertelnymi - składnikami promieniowania słonecznego. Nawet współczesne, przetestowane ewolucyjnie organizmy nie byłyby w stanie wytrzymać tego ostrego promieniowania ultrafioletowego - pomimo tego, że samo Słońce było znacznie młodsze i nie dawało planecie wystarczającej ilości ciepła. Z tego zrodziła się hipoteza, że w dobie cudu powstania życia całą Ziemię można było pokryć grubą warstwą lodu - setki metrów; i tak będzie najlepiej. Ukrywając się pod tą pokrywą lodową, życie mogło czuć się całkowicie bezpieczne przed promieniowaniem ultrafioletowym i częstymi uderzeniami meteorytów, które groziły zniszczeniem go w zarodku. Stosunkowo chłodne środowisko mogłoby również ustabilizować strukturę pierwszych makrocząsteczek.
4. Czarni palacze
Rzeczywiście, promieniowanie ultrafioletowe na młodej Ziemi, której atmosfera nie zawierała jeszcze tlenu i nie miała tak wspaniałej rzeczy jak warstwa ozonowa, powinno być śmiertelne dla każdego rodzącego się życia. Z tego wyrosło przekonanie, że kruchy przodkowie żywych organizmów zostali zmuszeni do egzystencji gdzieś, ukrywając się przed ciągłym strumieniem sterylizujących wszystko i wszystkich promieni. Na przykład głęboko pod wodą - oczywiście tam, gdzie jest wystarczająco dużo minerałów, mieszania, ciepła i energii do reakcji chemicznych. I takie miejsca zostały znalezione.
Pod koniec XX wieku stało się jasne, że dno oceanu w żaden sposób nie może być rajem dla średniowiecznych potworów: warunki są zbyt surowe, temperatura jest niska, nie ma promieniowania, a rzadka materia organiczna może osiadać tylko z powierzchni. W rzeczywistości są to rozległe półpustynie - z kilkoma godnymi uwagi wyjątkami: właśnie tam, głęboko pod wodą, w pobliżu ujść źródeł geotermalnych, życie toczy się pełną parą. Czarna woda nasycona siarczkami jest gorąca, aktywnie mieszana i zawiera dużo minerałów.
Palacze z czarnego oceanu są bardzo bogatymi i charakterystycznymi ekosystemami: żerujące na nich bakterie wykorzystują reakcje żelazo-siarkowe, o których już mówiliśmy. Są podstawą pełnego rozkwitu życia, w tym wielu unikalnych robaków i krewetek. Być może były one podstawą powstania życia na planecie: przynajmniej teoretycznie takie systemy zawierają wszystko, co do tego niezbędne.
2. Nienaukowe: duchy, bogowie, przodkowie
Wszelkie kosmologiczne mity o pochodzeniu świata zawsze zwieńczone są mitami antropogonicznymi - o pochodzeniu człowieka. I w tych fantazjach można tylko pozazdrościć wyobraźni starożytnych autorów: na pytanie, co, jak i dlaczego powstał kosmos, gdzie i jak pojawiło się życie - i ludzie - wersje brzmiały bardzo różnie i prawie zawsze pięknie. Rośliny, ryby i zwierzęta łowił z dna morskiego ogromny kruk, ludzie wyczołgali się z ciała przodka Pangu, ponieważ robaki, uformowane z gliny i popiołów, rodziły się z małżeństw bogów i potworów. Wszystko to jest zaskakująco poetyckie, ale oczywiście nie ma to nic wspólnego z nauką.
5. Świat RNA
Zgodnie z zasadami materializmu dialektycznego, życie jest „jednością i walką” dwóch zasad: z jednej strony zmieniającej się i odziedziczonej informacji, z drugiej - funkcji biochemicznych i strukturalnych. Jedno jest niemożliwe bez drugiego - a pytanie, gdzie zaczęło się życie, z informacją i kwasami nukleinowymi lub funkcjami i białkami, pozostaje jednym z najtrudniejszych. Jednym z dobrze znanych rozwiązań tego paradoksalnego problemu jest hipoteza świata RNA, która pojawiła się pod koniec lat 60. i ostatecznie ukształtowała się pod koniec lat 80.
RNA - makrocząsteczki w przechowywaniu i przekazywaniu informacji nie są tak wydajne jak DNA, a w pełnieniu funkcji enzymatycznych - nie tak imponujące jak białka. Ale cząsteczki RNA są zdolne do obu tych rzeczy i do tej pory służą jako ogniwo transmisyjne w wymianie informacji w komórce i katalizują w niej szereg reakcji. Białka nie są zdolne do replikacji bez informacji DNA, a DNA nie jest do tego zdolne bez „umiejętności” białek. Z drugiej strony RNA może być całkowicie autonomiczne: jest w stanie katalizować swoją własną „reprodukcję” - i to wystarczy na początek.
Badania w ramach hipotezy świata RNA wykazały, że te makrocząsteczki są zdolne do pełnej ewolucji chemicznej. Weźmy na przykład ilustracyjny przykład zademonstrowany przez biofizyków kalifornijskich kierowanych przez Lesley Orgel: jeśli bromek etydyny zostanie dodany do roztworu RNA zdolnego do samoreplikacji, który służy jako trucizna dla tego układu, blokuje syntezę RNA, a następnie stopniowo, ze zmianą pokoleń makrocząsteczek w mieszaninie Wydaje się, że RNA są odporne nawet na bardzo wysokie stężenia toksyny. Coś takiego, ewoluując, pierwsze cząsteczki RNA mogłyby znaleźć sposób na syntezę pierwszych narzędzi - białek, a następnie - w połączeniu z nimi - „odkryć” dla siebie podwójną helisę DNA, idealnego nośnika informacji dziedzicznej.
3. Nienaukowe: niezmienność
Nie bardziej naukowe niż opowieści o pierwszych przodkach można nazwać poglądami noszącymi głośną nazwę Teorii Państwa Stacjonarnego. Według jej zwolenników żadne życie w ogóle nie powstało - tak jak nie narodziła się Ziemia, ani kosmos: po prostu byli zawsze, zawsze i pozostaną. Wszystko to nie jest bardziej uzasadnione niż robaki Pangu: aby poważnie potraktować taką „teorię”, trzeba będzie zapomnieć o niezliczonych odkryciach paleontologii, geologii i astronomii. I faktycznie porzucić cały okazały budynek współczesnej nauki - ale wtedy chyba warto zrezygnować z wszystkiego, co przysługuje jej mieszkańcom, w tym z komputerów i bezbolesnego leczenia stomatologicznego.
6. Protokomórki
Do „normalnego życia” nie wystarczy jednak zwykła replikacja: każde życie to przede wszystkim wyodrębniony przestrzennie obszar środowiska, który oddziela procesy metaboliczne, ułatwia przebieg niektórych reakcji i pozwala wykluczyć inne. Innymi słowy, życie to komórka otoczona półprzepuszczalną błoną złożoną z lipidów. A „protokomórki” powinny pojawić się już na najwcześniejszych etapach istnienia życia na Ziemi - pierwszą hipotezę o ich pochodzeniu sformułował dobrze nam znany Aleksander Oparin. Jego zdaniem kropelki hydrofobowych lipidów, przypominające żółte kropelki oleju unoszące się w wodzie, mogą służyć jako „protomembrany”.
Generalnie idee naukowca są akceptowane przez współczesną naukę, a Jack Shostak, który za swoją pracę otrzymał Medal Oparina, również był zaangażowany w ten temat. Razem z Katarzyną Adamalą udało mu się stworzyć swego rodzaju model „protokomórki”, którego odpowiednik błony nie składał się z nowoczesnych lipidów, ale z jeszcze prostszych cząsteczek organicznych, kwasów tłuszczowych, które równie dobrze mogły się gromadzić w miejscach pochodzenia pierwszych protoorganizmów. Shostak i Adamala zdołali nawet „ożywić” swoje struktury poprzez dodanie do pożywki jonów magnezu (stymulujących pracę polimeraz RNA) i kwasu cytrynowego (stabilizującego strukturę błon tłuszczowych).
W rezultacie otrzymali całkowicie prosty, ale nieco żywy system; w każdym razie była to normalna protokomórka zawierająca środowisko chronione błoną do reprodukcji RNA. Od tego momentu możesz zamknąć ostatni rozdział prehistorii życia - i rozpocząć pierwsze rozdziały jego historii. To jednak zupełnie inny temat, dlatego porozmawiamy tylko o jednej, ale niezwykle ważnej koncepcji związanej z pierwszymi etapami ewolucji życia i pojawieniem się ogromnej różnorodności organizmów.
4. Nienaukowe: wieczny powrót
„Zbiorowe” przedstawienie filozofii indyjskiej w filozofii zachodniej związanej z twórczością Immanuela Kanta, Friedricha Nietzschego i Mircei Eliade. Poetycki obraz wiecznej wędrówki każdej żywej duszy przez nieskończoną liczbę światów i ich mieszkańców, jej przemiana w nieistotnego owada, potem w wywyższonego poetę, a nawet w nieznaną nam istotę, demona lub boga. Mimo braku idei reinkarnacji, Nietzsche jest bardzo bliski tej idei: wieczność jest wieczna, co oznacza, że każde jej wydarzenie może - i powinno zostać powtórzone. I każda istota kręci się w nieskończoność na tej karuzeli powszechnego powrotu, tak że kręci się tylko głowa, a sam problem pierwotnego pochodzenia znika gdzieś w kalejdoskopie niezliczonych powtórzeń.
7. Endosymbioza
Spójrz na siebie w lustrze, spójrz w oczy: stworzenie, z którym na siebie patrzysz, to złożona hybryda, która powstała od niepamiętnych czasów. Pod koniec XIX wieku niemiecko-angielski przyrodnik Andreas Schimper zauważył, że chloroplasty, organelle komórek roślinnych odpowiedzialne za fotosyntezę, replikują się niezależnie od samej komórki. Wkrótce pojawiła się hipoteza, że chloroplasty są symbiontami, komórkami bakterii fotosyntetycznych, które kiedyś zostały połknięte przez żywiciela - i pozostawione do życia tutaj na zawsze.
Oczywiście nie mamy chloroplastów, w przeciwnym razie moglibyśmy żywić się światłem słonecznym, jak sugerują niektóre sekty pseudoreligijne. Jednak w latach dwudziestych XX wieku hipoteza endosymbiozy została rozszerzona o mitochondria, organelle, które zużywają tlen i dostarczają energię do wszystkich naszych komórek. Do tej pory hipoteza ta uzyskała status pełnoprawnej, wielokrotnie sprawdzanej teorii - wystarczy powiedzieć, że mitochondria i plastydy mają swój własny genom, mniej lub bardziej mechanizmy podziału komórek i własne systemy syntezy białek.
W naturze znaleziono również inne endosymbionty, które nie mają za sobą miliardów lat wspólnej ewolucji i są na mniej głębokim poziomie integracji w komórce. Na przykład niektóre ameby nie mają własnych mitochondriów, ale wewnątrz znajdują się bakterie, które pełnią swoją rolę. Istnieją hipotezy o endosymbiotycznym pochodzeniu innych organelli - w tym wici i rzęsek, a nawet jądra komórkowego: według niektórych badaczy wszyscy eukarionty są wynikiem bezprecedensowej fuzji bakterii i archeonów. Wersje te nie znalazły jeszcze ścisłego potwierdzenia, ale jedno jest jasne: gdy tylko się pojawiły, życie zaczęło wchłaniać swoich sąsiadów - i wchodzić z nimi w interakcje, rodząc nowe życie.
5. Nienaukowe: kreacjonizm
Sama koncepcja kreacjonizmu powstała w XIX wieku, kiedy to słowo zaczęto nazywać zwolennikami różnych wersji przejawiania się świata i życia, proponowanych przez autorów Tory, Biblii i innych świętych ksiąg religii monoteistycznych. Jednak w rzeczywistości kreacjoniści nie zaoferowali nic nowego w porównaniu z tymi książkami, nieustannie próbując obalić rygorystyczne i fundamentalne ustalenia nauki - i faktycznie, wciąż od nowa, tracąc jedno stanowisko po drugim. Niestety, idee współczesnych pseudonaukowców-kreacjonistów są znacznie łatwiejsze do zrozumienia: zrozumienie teorii prawdziwej nauki wymaga wiele wysiłku.
Sergey Vasiliev