Pochodzenie życia

Stromatolity w prekambryjskiej formacji Siyeh z Parku Narodowego Glacier w USA.
W 2002 roku William Schopf z UCLA ze współpracownikami opublikował kontrowersyjną pracę w czasopiśmie naukowym „Nature”, w której dowodzili, że w kopalnych matach mikrobialnych można znaleźć mikroskamieniałości sprzed 3,375 i 3,465 miliarda lat. Gdyby to było prawdą, byłyby to najwcześniejsze znane formy życia.

Plik:Aleksandr Oparin and Andrei Kursanov in enzymology laboratory 1938.jpg

Aleksandr Oparin (po prawej) w laboratorium.

Biogeneza (gr. bíos – życie, génesis – pochodzenie, stawanie się) – w biologii zagadnienie pochodzenia życia.

Historia

Od czasów starożytności do XIX wieku powszechnie wierzono w możliwość samorodnego powstawania pewnych organizmów (np. robaków z zepsutego mięsa). W latach 70. XIX wieku doświadczenia Ludwika Pasteura wykazały, że samorództwo nie istnieje nawet w przypadku bakterii. Otworzyło to drogę dla badań nad zagadnieniem pochodzenia życia, które do dzisiaj stanowią „jedno z najtrudniejszych i nie w pełni rozwikłanych zagadnień biologii”.

Karol Darwin jako rozwiązanie problemu biogenezy zaproponował hipotezę, że życie powstało „w małej, ciepłej kałuży” na wczesnej Ziemi w warunkach dziś już niewystępujących.

Do lat 60 XIX wieku rozważania nad powstaniem życia na Ziemi były głównie przedmiotem dociekań filozoficznych i religijnych. Teoria opublikowana przez Darwina oraz prace Pasteura wykluczające powstawanie organizmów we współcześnie panujących warunkach doprowadziły do powstania kontrowersji oraz ożywionego zainteresowania ludzi nauki problemem powstania życia. Zaczęła rozwijać się koncepcja ewolucji chemicznej. Na początku XX wieku wykształciły się dwa nurty rozważań nad powstaniem życia. Pierwszy z nich koncentrował się na metabolizmie jako kryterium życia drugi na zdolności do replikacji. Teorie biochemiczne (metaboliczne) oraz genetyczne (molekularna) były rozwijane przez naukowców przez pierwszą połowę XX wieku. Oparin i Heldane rozwijając nurt metaboliczny koncentrowali się na możliwości samoistnego powstania minimalnej komórki , w której mogłyby zachodzić procesy warunkujące życie. Troland oraz Muller koncentrowali się na wyjaśnieniu funkcji enzymów oraz genów, jako cząstek decydujących o istnieniu życia. W kolejnych latach stało się możliwe przeprowadzanie doświadczeń weryfikujących przedstawione teorie.

Współczesna biologia próbuje tworzyć modele wczesnego życia. O ile w XIX wieku między pojęciami materii ożywionej i nieożywionej istniała bardzo duża przepaść – organizmy żywe składały się z kompletnych, bardzo skomplikowanych komórek, materia nieożywiona natomiast z substancji stosunkowo prostszych i nieorganicznych – zmniejszyła się ona w miarę badań w XX wieku. Już w 1828 Friedrich Wöhler otrzymał pierwszą substancję organiczną wychodząc wyłącznie z substancji nieorganicznych. Obecnie niemal każdy związek chemiczny obecny w organizmach żywych jest możliwy do otrzymania na drodze syntezy organicznej.

Teoria

Uniwersalność kodu genetycznego wskazuje na to, że wszystkie organizmy na Ziemi pochodzą od wspólnego przodka (zobacz: Drzewo filogenetyczne). Ten ostatni wspólny przodek, czyli organizm, którego dwaj bezpośredni potomkowie dali początek dwóm liniom współcześnie występujących organizmów (prawdopodobnie jedna z komórek wynikłych z podziału ostatniego wspólnego przodka dała początek bakteriom, a druga archeanom i eukariontom), był jednak bardzo skomplikowaną komórką.

Pierwsze ślady sugerujące biologiczne pochodzenie paleontolodzy znaleźli w skałach datowanych na ok. 3,8 miliarda lat; najstarsze znaleziska organizmów pochodzą sprzed 3,5 mld lat (sinice).

Bardzo trudno jest badać ewolucję z czasów przed ostatnim wspólnym przodkiem. Nie znaleziono dotychczas żadnych skamieniałości, a z definicji nie można odtwarzać wcześniejszych organizmów metodą rekonstrukcji na podstawie organizmów współcześnie żyjących, ponieważ są one z nimi w dokładnie tym samym stopniu spokrewnione.

Przewidywana pierwsza komórka jest o wiele prostsza niż współczesne bakterie, nie wymaga DNA, które może być zastępowane przez RNA, aparatu syntezy białek (RNA może pełnić funkcje enzymatyczną) ani zdolności syntezy istotnych substancji organicznych (które są dostępne w otoczeniu).

Biogeneza była poprzedzona przez abiotyczną ewolucję materii, w wyniku której wytwarzają się autoreplikujące informację struktury. Inaczej mówiąc przekazywanie informacji na nowe pokolenia jest definiowalnym warunkiem początku biologicznej ewolucji. Początkowo rolę nośnika informacji pełnił TNA. TNA, jak i RNA oprócz właściwości nośnika informacji może mieć także katalityczną funkcję. Takie samoreplikujące się cząsteczki ewoluowały dalej mutując i wymieniając informację.

Początek biogenezy był w mikroskali znikomo mało prawdopodobny, jednak biorąc pod uwagę ilość mikronisz (cały ocean prazupy) oraz czas, w którym mógł zaistnieć (miliony lat), jest prawdopodobne, że życie powstało na Ziemi.

Pewne postępy uczyniono poprzez badania na drodze biochemicznej. Są pewne dane sugerujące, że pierwotny metabolizm mógł być oparty na pentozach, nie zaś na heksozach jak u organizmów współczesnych. Głównym argumentem jest, że większość najważniejszych związków chemicznych komórek, w szczególności związki energetyczne oraz kwasy nukleinowe, to pochodne pentoz, były więc one bardziej pierwotne od heksoz. Pierwsze organizmy najprawdopodobniej nie zawierały DNA, i używały RNA zarówno w funkcjach wypełnianych współcześnie przez DNA, jak i w funkcjach enzymatycznych. Być może poprzedzały je organizmy zbudowane na bazie jeszcze prostszych cząsteczek analogicznych do RNA (np. TNA).

Rybosomy, enzymy białkowe oraz mechanizm translacji RNA-białko najprawdopodobniej nie występowały u pierwszych organizmów, lecz są wynikiem ewolucji. Pierwszym z argumentów za tym jest, że RNA może również pełnić funkcje enzymów i spotyka się je także u współczesnych organizmów. Drugim jest, że wiele organizmów posiada alternatywną ścieżkę syntezy peptydów, niezależną od rybosomów, jednak jest ona ograniczona jedynie do kilku bardzo prostych peptydów (rozmiarów rzędu 10 jednostek) i przypomina raczej syntezę innych związków chemicznych niż białek w rybosomach. Trzecim argumentem jest, że znaczenia trójek kodonów nie są ułożone przypadkowo, lecz w taki sposób, że mutacja powoduje zazwyczaj przejście do aminokwasu o podobnych właściwościach. Ewolucja, która doprowadziła do takiego ustawienia, musiała zachodzić w organizmach, w których rybosomowa synteza peptydów nie była kluczowa do istnienia, gdyż w przeciwnym wypadku praktycznie każda mutacja byłaby letalna.

Wszystko wskazuje na to, że życie powstało bardzo szybko, w ciągu najwyżej kilkudziesięciu milionów lat od powstania płynnych oceanów na Ziemi. Możliwe jest też, że życie powstało w przestrzeni kosmicznej (zobacz: panspermia), skąd przybyło na Ziemię w postaci zarodników. Możliwe jest również, że powstało w środowisku odmiennym niż oceany. Obie możliwości jedynie dają życiu więcej czasu na powstanie. Wielu naukowców uważa, że tak szybkie powstanie życia nie tylko nie sprawia żadnych problemów, lecz stanowi jedynie dodatkowe potwierdzenie, że powstanie życia jest to proces, który w sprzyjających warunkach zachodzi z bardzo dużym prawdopodobieństwem.

Życie poza Ziemią

Nie wiadomo, czy życie istnieje na innych planetach niż Ziemia. Próby znalezienia życia w Układzie Słonecznym podjęto w ramach misji Viking w roku 1976. Astrobiolodzy ze względu na znajomość warunków do rozwoju życia jako potencjalne miejsca jego występowania poza Ziemią wytypowali Mars oraz księżyc Jowisza – Europę. Wykonane badania nie pozwoliły na stwierdzenie śladów metabolizmu mikrobiologicznego, których poszukiwano.

Trwałe cząsteczki

W praoceanach atomy łączyły się ze sobą, tworząc coraz bardziej złożone cząsteczki. Po pewnym czasie oceany wypełnione były materią o pewnym losowym składzie. Przypuśćmy teraz istnienie cząsteczek, które posiadają powinowactwo 1-1 lub 1-1'. Jeśli cząsteczki tego typu połączyłyby się w łańcuch, łatwo zauważyć, że potrafiłyby się replikować (w tym momencie nie jest ważne, czy na pozytyw czy na negatyw). Idąc dalej tym tropem łatwo zauważyć, że cząsteczki, które potrafiły by się replikować, szybko wypełniłyby cały wszechocean, gdyż prawdopodobieństwo ich powstania byłoby znacznie wyższe niż jakiejkolwiek innej „przypadkowej” cząsteczki.

Jest możliwe, że taki początek mają białka i znane nam łańcuchy replikujące (DNA, RNA).

Pewne badania wskazują, że ryboza może powstawać i utrzymywać się w obecności boranów.

Krytycyzm

Poglądom zakładającym powstanie życia z materii nieożywionej przeciwstawia się pogląd o niewielkim prawdopodobieństwie powstania aminokwasów z prostszych związków chemicznych. Pogląd ten jednak nie ma żadnego uzasadnienia w świetle wyników doświadczeń Miller'a-Urey'a. W prostej symulacji warunków panujących na Ziemi 4-5 mld lat temu, w pierwszych doświadczeniach Miller uzyskał przynajmniej 5 aminokwasów, w kolejnych doświadczeniach uzyskano ich ponad 20.

Alternatywnymi poglądami na pochodzenie życia na Ziemi są teoria panspermii, inteligentny projekt i kreacjonizm. Koncepcje te nie mają żadnego potwierdzenia ani w postaci logicznego dowodu, ani w postaci doświadczeń.

Zobacz też

• chemoton
• eksperyment Stanleya Millera
• inteligentny projekt
• panspermia
• równanie Drake’a
• teoria samorództwa
• zupa pierwotna
• życie pozaziemskie

Linki zewnętrzne

• Biogeneza
• Nauka i filozofia o pochodzeniu życia