W kosmicznej hierarchii Ziemia i gwiazda, wokół której się obraca, są, że tak powiem, jeszcze w powijakach. Ziemia powstała z substancji pozostałej po narodzinach Słońca 4,6 miliarda lat temu, podczas gdy wiek Wszechświata jako całości szacuje się na 11-16 miliardów lat. Podobnie jak podczas formowania się wszystkich planet, początkowy etap istnienia naszej planety był tak burzliwy, że trudno to sobie wyobrazić.
I nawet po tym, jak globus przybrał swój kształt, jego powierzchnia była topiona przez kolejne 600 milionów lat, przegrzanie spowodowane było ciepłem pochodzącym z wnętrza, z jądra Ziemi oraz bombardowaniem asteroidami z zewnątrz, które podniosło temperaturę parujących oceanów do punktu wrzenia. W tym okresie, który niektórzy geolodzy nazywają Hed, na naszej planecie naprawdę panowało piekło.
Po ustaniu ciągłego bombardowania przez asteroidy, a pozostałe asteroidy znalazły się na pewnych orbitach i prawie nie mogły zaszkodzić Ziemi, węglowi, azotowi, wodorowi i tlenowi w różnych kombinacjach „powstały aminokwasy i inny podstawowy materiał budulcowy żywej materii”. Jak napisał laureat Nagrody Nobla, Christian de Duve w swojej książce Życiodajny pył, opublikowanej w 1995 r., „Produkty tych procesów chemicznych, osadzone przez opady atmosferyczne, komety i meteoryty, stopniowo utworzyły pierwszą materię organiczną na martwej powierzchni naszej niedawno zagęszczonej planety”.
Na ten bogaty w węgiel film wpłynęły zarówno procesy zachodzące na samej Ziemi, jak i spadające ciała z kosmosu na jej powierzchni; efekt promieniowania ultrafioletowego był wielokrotnie silniejszy niż obecnie, ponieważ obecnie chroni nas atmosfera ziemska. Wszystkie te materiały zostały ostatecznie zdeponowane w morzach i, jak napisał wybitny naukowiec JB Haldane w swoim słynnym artykule z 1929 roku, „pierwotne oceany miały konsystencję gorącego, rozcieńczonego bulionu”.
Głównym produktem ubocznym tych procesów było coś lepkiego, brązowawego, zwanego „gumowatym”, „lepkim”, czyli budzącym wspomnienia z dzieciństwa. Ci, którzy sprzeciwiają się wnioskowi Karola Darwina, że człowiek jest krewnym szympansów i orangutanów, w istocie stawiają człowieka przed tą ostatnią zniewagą - wyszliśmy z jakiegoś szlamu!
Mamy więc podstawowy „bulion”, w którym wszędzie miesza się dużo lepkich składników. Jak życie na Ziemi mogło powstać z tego surowca? Tu zaczyna się prawdziwa tajemnica. Powszechnie przyjmuje się, że decydującą rolę odegrał RNA - kwas rybonukleinowy, bliski krewny DNA, który określa kod genetyczny człowieka i innych organizmów żywych. A jednak wciąż toczą się liczne spory o to, jak, kiedy i gdzie faktycznie powstało życie. Przyjrzyjmy się pokrótce niektórym kwestiom napędzającym te dyskusje.
Przez długi czas biolodzy i chemicy uważali, że życie na Ziemi powinno powstać nie wcześniej niż miliard lat po ochłodzeniu planety i ustaniu intensywnego bombardowania przez asteroidy, a stało się to około 3,8 miliarda lat temu. Stąd wynika, że życie na Ziemi istnieje nie dłużej niż 2,8 miliarda lat. Jednak dowody geologiczne, a nawet organiczne skamieniałości, coraz częściej sugerują, że bakterie istniały już na długo przed tym.
Formacja Greenland Isua, złożona z najstarszych skał naszej planety, której wiek określa się na 3,2 miliarda lat, zawiera węgiel - główny budulec wszystkich znanych form życia, w proporcjach charakterystycznych dla bakteryjnej fotosyntezy. Wielu biologów dochodzi do wniosku, że nawet w tak wczesnym okresie bakterie musiały istnieć, a jeśli tak, to jeszcze wcześniej istniały organizmy prymitywniejsze niż bakterie.
Film promocyjny:
Stosunkowo niedawno geolog z University of Western Australia, Bigir Rasmussen, odkrył w kratonie Pilbara w północno-zachodniej Australii skamieniałości mikroorganizmów nitkowatych w wieku 3,5 miliarda lat, a także „możliwe” skamieniałości, które pochodzą sprzed 3,235 miliarda lat w wybuchły osady wulkaniczne w zachodniej Australii. Z powodu takich znalezisk pojawia się poważny problem: początki życia są przesunięte o 200 tysięcy lat po zakończeniu okresu Hed, co wielu biologów uważa za raczej krótki okres, aby zaszły niezbędne procesy chemiczne.
Nowsze odkrycie Rasmussena, opisane w czerwcu 1999 w Nature, rodzi kolejny dylemat. Ponieważ biocząsteczki niezbędne dla żywej materii, takie jak białka i kwasy nukleinowe, są bardzo delikatne i lepiej przetrwają w niższych temperaturach, wielu chemików od dawna jest przekonanych, że życie na Ziemi powinno powstać w niskich temperaturach, a może nawet ujemnych. … A jednak Rasmussen wykopał swoje mikroskopijne włókna w materiale pierwotnie znajdującym się w pobliżu otworu wulkanu, gdzie temperatura była wyjątkowo wysoka.
W rzeczywistości najstarsze organizmy, które nadal istnieją, to bakterie żyjące w zachowanych kominach wulkanicznych lub w źródłach o temperaturze wody do 110 ° C. Istnienie tych pradawnych bakterii w komorach wulkanów dostarcza mocnych dowodów przemawiających za założeniem, że dla powstania życia na Ziemi panują wysokie temperatury, popierane przez innych naukowców.
Jednym z wyznawców poglądu na temat powstania życia na Ziemi w zimnych warunkach jest Stanley Miller, który od razu zasłynął w 1953 roku po przeprowadzeniu serii eksperymentów na Uniwersytecie w Chicago. Był wtedy absolwentem i studiował u zdobywcy Nagrody Nobla chemika Harolda Urey'a, który zdobył Nagrodę Nobla za odkrycie ciężkiego wodoru zwanego deuterem. Według Jurija atmosfera planety pierwotnie składała się z mieszaniny cząsteczek wodoru, metanu, amoniaku, pary wodnej i była szczególnie bogata w wodór. (Należy zauważyć, że tlen był obecny tylko w składzie pary wodnej. Dopiero po pojawieniu się życia w atmosferze tlen zaczął się pojawiać w wyniku uwalniania dwutlenku węgla podczas fotosyntezy, co ostatecznie doprowadziło do rozwoju bardziej złożonych form biologicznych.)
Miller przygotował mieszaninę elementów wskazanych przez Jurija w zamkniętym naczyniu i przez kilka dni wystawiał ją na wyładowania elektryczne, które symulowały błyskawicę. Ku jego zdziwieniu w szklanym słoju pojawił się różowawy blask, a analiza uzyskanych wyników wykazała obecność dwóch aminokwasów (składnik wszystkich białek), a także innych substancji organicznych, o których sądzono, że są tworzone tylko przez żywe komórki. Ten eksperyment, który jego przywódca niechętnie zatwierdził, nie tylko rozsławił Millera, ale także doprowadził do powstania nowej dziedziny nauki - chemii abiotycznej, której głównym zadaniem było uzyskanie substancji biologicznych w warunkach, o których uważa się, że istniały na Ziemi przed pojawieniem się życia.
Kluczowe jest tutaj słowo „rozważ”. Założenia dotyczące składu atmosfery ziemskiej przed rozwojem życia na naszej planecie cały czas się zmieniają. I chociaż po pracy Millera w 1953 r. Przeprowadzono wiele eksperymentów, nie doprowadziły one do wyników, które można by skojarzyć z pojęciem „życia”, mimo powstawania w nich różnego rodzaju cząsteczek organicznych. Jak zauważa de Duve w „Życiodajnym pyle”, takie eksperymenty są często przeprowadzane „w bardziej wymyślonych warunkach, niż jest to konieczne dla prawdziwie abiotycznego procesu.
Wśród wszystkich tych eksperymentów oryginalny eksperyment Millera pozostaje klasyczny. Było to praktycznie jedyne rozwiązanie stworzone wyłącznie w celu odtworzenia prawdopodobnych warunków prebiologicznych bez zamiaru uzyskania określonego produktu końcowego. Innymi słowy, zawsze łatwo jest zorganizować eksperyment w taki sposób, aby najprawdopodobniej uzyskać pożądany wynik, ale warunki eksperymentu będą zbyt odpowiednie.
Przynajmniej w takich eksperymentach nie udało się odtworzyć życia nawet w jego najbardziej elementarnej postaci - w postaci oddzielnej komórki bez jądra. Jak napisał Nicholas Wade w swoim artykule w New York Times z czerwca 2000 r. O najnowszym odkryciu Rasmussena: „Najbardziej intensywne próby chemików w celu stworzenia w laboratorium molekuł typowych dla materii żywej pokazały tylko, że jest to diabelnie trudne zadanie”.
Zatem główne problemy koncentrują się na dwóch głównych kierunkach badań w celu ustalenia, jak powstało życie na Ziemi. Moment powstania życia zostaje przesunięty jeszcze dalej w przeszłość, tak że najwyraźniej zostało zbyt mało czasu na procesy chemiczne niezbędne do powstania życia. A same te reakcje chemiczne, tak jak poprzednio, pozostają równie tajemnicze.
Pomimo kolosalnych postępów technicznych i ogromnej ilości zgromadzonych danych genetycznych, eksperyment Stanleya Millera z 1953 roku pozostaje praktycznie jedynym przekonującym wynikiem takich badań. Niemniej jednak samo odkrycie wzbudziło wątpliwości - wielu naukowców uważa obecnie, że równowaga elementów, których użył, oparta na pracy jego przywódcy G. Juriego, była błędna. Gdy zmienia się proporcja składników, aminokwasy uzyskane przez Millera nie powstają.
Z powodu nowych trudności cały obraz ewolucji życia stał się bardziej niejasny. Kiedyś wydawało się, że można go wyraźnie prześledzić za pomocą drzew filogenetycznych (genealogicznych) odzwierciedlających ewolucyjną historię organizmu od samych jego korzeni. Drzewa filogenetyczne zostały po raz pierwszy zbudowane w XIX wieku zgodnie z teorią Karola Darwina, aby jasno pokazać ewolucyjną historię poszczególnych grup zwierząt. Pierwsze rozgałęzione drzewo zostało zbudowane przez niemieckiego biologa ewolucyjnego Ernsta Haeckela (który również zaproponował termin „ekologia”).
Odkrycie DNA umożliwiło stworzenie takich drzew filogenetycznych nie tylko dla zwierząt i roślin, ale także dla ich materiału genetycznego, co umożliwiło znacznie głębsze zrozumienie procesów leżących u podstaw koncepcji „życia”. Aby uzyskać drzewa genealogiczne, naukowcy przeprowadzili analizę porównawczą sekwencji molekularnych bloków budulcowych kwasów nukleinowych (nukleotydów) lub aminokwasów w białkach. Wyniki są porównywane dla różnych organizmów.
W oparciu o mechanizmy rozgałęziania się ewolucji i mutacji za pomocą tej techniki można określić odległości między dwiema gałęziami drzewa filogenetycznego, czyli dowiedzieć się, w jakim stopniu dwa gatunki oddalają się od wspólnego przodka i od siebie nawzajem. (Ponadto metoda ta pomogła naukowcom określić wiek starożytnych organizmów, które nadal istnieją dzisiaj w bardzo gorących kominach wulkanicznych). Zadanie przeprowadzenia analizy porównawczej sekwencji jest prawdopodobnie najłatwiejsze do zrozumienia, jeśli wyciągniemy analogię z grą słowną, w której długie słowo w celu utworzenia jak największej liczby krótkich słów z jego liter składowych.
Pod koniec lat siedemdziesiątych Carl Wose z University of Illinois zastosował analizę porównawczą sekwencji do cząsteczek RNA występujących we wszystkich żywych organizmach, co doprowadziło do powstania bardziej złożonego drzewa filogenetycznego, niż przewidywano. Trzy główne gałęzie drzewa odpowiadały trzem podstawowym królestwom organizmów żywych: prokariontom, archeonom i eukariontom. Prokarioty to mikroorganizmy, takie jak bakterie.
Proponowany przez Wose nowy podział - archeony - obejmuje drugą grupę bakterii występujących w bardzo gorących miejscach na Ziemi, takich jak gorące źródła. Eukarionty to organizmy składające się z dużych komórek, które mają uformowane jądro; dotyczy to wszystkich organizmów wielokomórkowych - roślin i zwierząt, w tym ludzi.
Ale od wczesnych lat 80., kiedy zdekodowano więcej genomów we wszystkich trzech królestwach, sytuacja stała się bardziej niepewna. Drzewa oparte na genach innych niż oryginalny model białka Wase okazały się zupełnie inne. Ponadto geny są przearanżowane w zaskakujący, a nawet nieoczekiwany sposób. Te różnice sprawiają, że niezwykle trudno jest prześledzić takie geny od wspólnych przodków i, co jeszcze bardziej nieprzyjemne, sugeruje, że pierwotny gen - założyciel życia - sam miał raczej złożoną strukturę, bardziej złożoną niż powinien mieć gen „oryginalny”.
Jedynym prawdopodobnym rozwiązaniem tego problemu jest założenie, że zamiast rosnąć cały czas w górę, tworząc pionowe gałęzie we wczesnych stadiach ewolucji życia, drzewo wydzielało gałęzie boczne, a niektóre geny zostały przeniesione poziomo. Pomysł ten jest wzmocniony faktem, że nawet dzisiaj bakterie mogą przenosić niektóre geny poziomo, w tym niestety te, które uodparniają bakterie na antybiotyki. Ten wniosek oznacza, że drzewo życia, zamiast mieć piękny prosty pień, zamienia się w coś przypominającego obraz Jacksona Pollocka. To co najmniej zniechęcające.
Ale Karl Wose nie był zawstydzony. Postawił hipotezę, że organizm jednokomórkowy, który przez długi czas był uważany za pierwotną formę życia, mógł być rodzajem kolonii, składającej się z kilku typów komórek, zdolnych do dość łatwej poziomej wymiany informacji genetycznej. Niektórzy naukowcy są zdezorientowani tą postrzeganą lekkością. Oznacza to, że mechanizm replikacji (reprodukcji) genów, który obserwuje się w DNA i jest mechanizmem dość precyzyjnym, rozwija się w komórkach dopiero w późniejszym czasie. W końcu kolonia musiała wznieść się na wyższy poziom rozwoju, kiedy każdy organizm przyjął swoją własną formę. Ale kiedy to się stało?
Jak więc powstało życie na ziemi?
Współcześnie eksperci przypisują zupełnie inne daty momentowi, w którym smukłe drzewa DNA zaczęły formować pionowe gałęzie - w przedziale od zaledwie miliarda lat temu i prawie do wcześniej zakładanych 4 miliardów lat. Podobnie jak w sytuacji z teorią Wielkiego Wybuchu u powstania Wszechświata, dzięki nowym odkryciom i metodom pomiarów w miarę poszerzania naszej wiedzy, teorie powstania życia na Ziemi nie są upraszczane, ale bardziej skomplikowane. Z tego powodu inne wyjaśnienia pojawienia się życia, długo odrzucane jako fantastyczne, zatrzymały niektórych zwolenników.
Czy życie mogło zostać sprowadzone na Ziemię z otaczającej ją przestrzeni? Oczywiście asteroidy, meteoryty i komety zawierają pierwiastki tworzące budulec żywej materii i ogólnie przyjmuje się, że życie na Ziemi powstało z połączenia takich materiałów - już istniejących na Ziemi i przywiezionych z kosmosu. Ale materiał budowlany to jedno, a samo życie to coś zupełnie innego. Niektórzy wybitni naukowcy uważają, że pierwotne życie zostało przywiezione na naszą planetę z kosmosu już w pełni uformowanego, to znaczy nie tylko z części składowych, ale także z samych organizmów. W 1821 roku Sals-Guyonde Montlivol zasugerował, że księżyc był źródłem życia na naszej planecie.
Pomysł ten powrócił w stosunku do Marsa w 1890 roku, kiedy amerykański astronom Percival Lovell (który przewidział istnienie planety Pluton i obliczył jej orbitę) powiedział, że kanały widoczne na powierzchni czerwonej planety mogą być zbudowane tylko przez inteligentne istoty. William Thomson (Lord Kelvin), który pod koniec XIX wieku opracował idealną skalę temperatur, zasugerował, że życie na naszej planecie przyniosły meteoryty.
Nikt nie miał takiej obsesji na punkcie takich pomysłów jak szwedzki chemik Svante Arrhenius, który w 1903 roku otrzymał Nagrodę Nobla za swoją przełomową pracę w elektrochemii. Zgodnie z jego teorią panspermii, zarodniki bakterii rozproszone w zimnej przestrzeni świata są w stanie pokonywać duże odległości w stanie zawieszenia animacji i są gotowe do przebudzenia, jeśli spotkają na swojej drodze gościnną planetę. Nie był zaznajomiony z problemem śmiertelnego promieniowania kosmicznego.
Fred Hoyle promował pewną wersję hipotezy panspermii w związku ze swoją teorią stacjonarnego wszechświata, opisaną w rozdz. 1. Hoyle posunął się nawet do stwierdzenia, że epidemie, takie jak pandemia grypy hiszpańskiej z 1918 r., Były spowodowane przez zarazki z kosmosu, a ludzki nos wyewoluował, aby zapobiec przedostawaniu się patogenów przenoszonych z kosmosu do organizmu.
Francis Crick (który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny w 1962 roku wraz z Jamesem Watsonem i Maurice'em Wilkinsem za odkrycie podwójnej helisy DNA) i założyciel chemii prebiologicznej, Leslie Orgel, poszli jeszcze dalej, wspierając ideę, że życie zostało „zasiane” na Ziemi przez przedstawicieli wysoko rozwiniętych istot pozaziemskich cywilizacja. Nazwali tę hipotezę „kierowaną panspermią”.
Wielbiciele UFO są oczywiście szczęśliwi, że wśród swoich zwolenników ma laureat Nagrody Nobla Krzyk, a pisarze science fiction są zawsze gotowi do rzucenia się na tego typu pomysły. Marsjańskie Kanały Lovella zainspirowały HG Wellsa do pewnego stopnia w słynnej Wojnie Światów, opublikowanej w 1898 roku. Podczas gdy wielu szanowanych naukowców otwarcie protestuje przeciwko idei panspermii, bezpośrednio lub pośrednio, niektórzy są bardziej ostrożni.
Christian de Duve napisał: „Przy tak znanych zwolennikach hipoteza panspermii nie może zostać odrzucona bez szczegółowej analizy”, mimo że jego zdaniem takie teorie nie mają przekonujących dowodów. Ten wniosek został wyciągnięty w 1995 roku, ale w następnym roku cały świat znalazł się na pierwszych stronach gazet z oświadczeniem złożonym przez NASA.
Raport NASA dotyczył jednej ze skał odkrytych w 1984 roku na Antarktydzie. Próbkami były fragmenty meteorytu zwanego SNCs (wymawiane jako „snix”) - skrót nazw miejsc, w których znaleziono pierwsze trzy takie fragmenty, Shergotty - Nakhla - Chassigny. Na konferencji prasowej poświęconej temu wydarzeniu próbka skały leżała na poduszce z niebieskiego aksamitu, a szef NASA Dan Goldin zwrócił się do obecnych słowami: „Nie dzisiaj, ani jutro będziemy wiedzieć, czy tylko życie istnieje na Ziemi”, co okazało się świetnym sposobem przyciągnąć uwagę dziennikarzy.
Następnie naukowcy NASA rozmawiali o tym, co na pewno wiadomo o tych skałach. Badania wykazały, że powstały na Marsie około 4,5 miliarda lat temu. Przez pół miliarda lat skała znajdowała się pod powierzchnią Marsa, ale po pojawieniu się pęknięć na powierzchni Marsa w wyniku uderzeń meteorytów została wystawiona na działanie wody. Nowe wydarzenia miały miejsce z tą skałą około 16 milionów lat temu, kiedy kosmiczny obiekt, być może asteroida, spadł na Marsa, w wyniku czego fragment marsjańskiej skorupy został wyrzucony w otaczającą przestrzeń.
Po milionach lat podróży w kosmos fragment ten wpadł na Antarktydę zaledwie 16 000 lat temu. W 1957 roku pisarz science fiction James Blish wydał powieść Zimny rok, która skupiała się na skale znalezionej w Arktyce i okazała się pozostałością po planecie zniszczonej przez Marsjan podczas wojny dwóch światów, co sprawiło, że bohater wykrzyknął: „Historia wszechświata w sześcianie lód! Wydarzenia na konferencji NASA były mniej dramatyczne, chociaż gazety dołożyły wszelkich starań, aby rozpowszechnić tę historię.
Odkryta przez NASA skała zawierała podobne do węglanów węglany, które powstają na naszej planecie przy udziale bakterii. Znaleziono również drobnoziarniste siarczki żelaza i inne minerały, które przypominają produkty przemiany materii bakterii. Ponadto za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego zidentyfikowano maleńkie struktury, które mogą być skamieniałościami bakterii marsjańskich - zostały zanurzone tak głęboko, że nie mogły powstać na Ziemi.
Nie chcąc się wstydzić, urzędnicy NASA mieli pod ręką naukowca, który powiedział, że te struktury są zbyt małe, aby mogły być bakteriami, i że wydawało się, że węglany tworzyły się w bardzo wysokich temperaturach niezgodnych z życiem. Jednak jego sceptyczne uwagi w żaden sposób nie mogły zapobiec pojawieniu się gigantycznych, krzyczących nagłówków w gazetach: „Życie na Marsie!”
Późniejsza dyskusja na ten temat przez naukowców odbyła się w oparciu o terminologię naukową, która może odstraszyć każdego dziennikarza. Problem mógłby zostać rozwiązany, gdyby udało się otworzyć jedną z tych malutkich skamieniałych markiz. Jeśli znajdziemy ścianę komórkową lub jeszcze lepiej fragment komórki, otrzymamy odpowiedź.
Niestety nie ma opracowanej metodologii takich badań. Gdy odpowiedź będzie nadal otrzymywana, nawet jeśli będzie pozytywna, wielu naukowców prawdopodobnie powie, że to tylko dowodzi, że życie w postaci bakterii istniało na Marsie, a także na Ziemi. Nie będzie to dowodem na to, że życie powstało na Marsie i zostało sprowadzone na naszą planetę (lub odwrotnie), i nie potwierdzi teorii panspermii. Ale teraz nie można już argumentować, że nie ma żadnych podstaw, aby zakładać takie możliwości.
J. Malone