Pochodzenie życia

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
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[1].
Aleksandr Oparin (po prawej) w laboratorium.

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

Historia[edytuj]

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”[2].

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[3]. Oparin i Haeldane 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[4]. W kolejnych latach stało się możliwe przeprowadzanie doświadczeń weryfikujących przedstawione teorie[3].

Hipotezy[edytuj]

Istnieje wiele hipotez dotyczących powstania życia. Grupa hipotez określana jako konwencjonalne zakłada, że pierwsze komó©ki powstały w wyniku ewolucji chemicznej zachodzącej na Ziemi. Naukowcy zgodnie uznają, że pierwszym organizmem była komórka prokariotyczna o budowie zbliżonej do współcześnie występujących bakterii[5]. Najstarsze ślady komórek, w postaci mikroskamieniałości, stwierdzono w skałach pochadzących z północno-zachodniego wybrzeża Australii, których wiek oznaczona na 3,465 mld[1]. Opisano także starsze ślad, o charakterze izotopowym, pochodzące ze skał z wyspy Akilia w poliżu Grenlandii. Wiek tych skał określono na 3,86 mld lat. Jedna komórka lub populacja organizmów wymieniająca się genami w procesie horyzontalnego transfer genów określana jest przez naukowców jako ostatni uniwersalny wspólny przodek, od którego pochodzą wszystkie organizmy na Ziemi[5].

Wiek Ziemi oznaczaczany jest na 4,6 mld lat. Pomiędzy początkiem istnienia Ziemi a okresem kiedy istniały już pierwsze komórki musiało dojść do powstania życi, przy założeniu że powstało ono na Ziemi. W latach 20 XX wieku Oparin w Rosji i Haldane w Anglii rozwijając ideę samorództwa zaproponowali model, w którym związki organiczne niezbędne do wytworzenia organizmu powstały w pierwotnej atmosferze Ziemi przy udziale światła słonecznego. Obaj przyjęli, że pierwotny skład ziemskiej atmosfery był zbliżony do składu atmosfery zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Atmosfera taka zawierała znaczne ilości wodoru, amoniaku oraz metanu a niewiele tlenu. W efekcie licznych reakcji syntezy oceany zawierały znaczne ilości związków organicznych co Oparin określił jako zupa pierwotna. Pomysł Oparina i Haldana zweryfikowali w doświadczeniu Stanley Miller i Harold Urey w roku 1953. Badacze składniki potencjalnej pierwotnej atmosfery Ziemi poddali działaniu światła oraz wyładowań elektrycznych, a następnie zbadali skład roztworu wodnego, będącego odpowiednikiem praoceanu[5]. 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[6].

Eksperyment Millera i Uleya wykazał, że związki organiczne z których składają się istniejące organizmy mogły powstać na Ziemi spontanicznie. Nie jest to jednak dowód na powstanie form życia z istniejących nieożywionych organicznych monomerów. Obalona ostatecznie przez Pasteura koncepcja samorództwa nie jest wspierana przez opisane doświadczenie. Dość powszechny wśród biologów jest pogląd, ze związków chemicznych prakomórka mogła powstać jedynie etapowo z wieloma formami pośrednimi. Jedną z ważnych hipotez dotyczących wczesnych etapów ewolucji na etapie prebiotycznym jest hipoteza świata RNA. Zgodnie z nią RNA mogło powstać z pierwotnej zupy nukleotydów, a dzięki zdolności do katalizy cząsteczki RNA stały się pierwszymi samoreplikującymi się elementami, podlegającymi zasadom ewolucji biologicznej. Puryny i pirymidyny powstają w układzie doświadczalnym stworzonym przez Millera i Ureya. Hipoteza RNA jako pierwszego molekularnego nośnika informacji genetycznej zostałą przedstawiona przez Orgela i Cricka w roku 1968. Kolejnym ważnym argumentem za istnieniem świata RNA było odkrycie w latch 80. XX wieku rybozymów, cząsteczek RNA mających właściwości enzymów. We współcześnie żyjących organizmach informacja genetyczna przechowywana jest w postaci DNA. Do syntezy DNA niezbędne są cząsteczki białka a zarazem synteza białek wymaga istnienia DNA. Hipoteza świata RNA pozwala wyjść z dylematu co było pierwsze jajko (DNA) czy kura (białka)[5]. Słabym punktem hipotezy był fakt, że ryboza jest związkiem nietrwałym, a więc nie mogła ulegać akumulacji w pierwotnym oceanie. Rozwiązanie problemu, a zarazem wzmocnienie hipotezy świata RNA zaproponował Ricardo i wsp. w roku 2004. Stwierdzili oni, że ryboza staje się stabilna w kompleksie z boranami. Borany zaś powstają podczas krystalizacji skał i powinny występować na powierzchni młodych planet[7].

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.

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.

Życie poza Ziemią[edytuj]

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 JowiszaEuropę. Wykonane badania nie pozwoliły na stwierdzenie śladów metabolizmu mikrobiologicznego, których poszukiwano[8].

Zobacz też[edytuj]

Przypisy

  1. a b J. William Schopf, Anatoliy B. Kudryavtsev, David G. Agresti, Thomas J. Wdowiak i inni. Laser–Raman imagery of Earth's earliest fossils. „Nature”. 416 (6876), s. 73–76, 2002. DOI: 10.1038/416073a. ISSN 0028-0836 (ang.). 
  2. Hasło biogeneza w: Encyklopedia PWN [dostęp 2015-05-16]
  3. a b Harmke Kamminga. Historical perspective: The problem of the origin of life in the context of developments in biology. „Origins of Life and Evolution of the Biosphere”. 18 (1-2), s. 1–11, 1988. DOI: 10.1007/BF01808777. ISSN 0169-6149 (ang.). 
  4. Gail Raney Fleischaker. Origins of life: An operational definition. „Origins of Life and Evolution of the Biosphere”. 20 (2), s. 127–137, 1990. DOI: 10.1007/BF01808273. ISSN 0169-6149 (ang.). 
  5. a b c d Ashwini Kumar Lal. Origin of Life. „Astrophysics and Space Science”. 317 (3-4), s. 267–278, 2008. DOI: 10.1007/s10509-008-9876-6. ISSN 0004-640X (ang.). 
  6. Stanley L. Miller. Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. „Science”. 117 (3046), s. 528, 1953. DOI: 10.1126/science.117.3046.528. PMID: 13056598.
  7. A. Ricardo. Borate Minerals Stabilize Ribose. „Science”. 303 (5655), s. 196–196, 2004. DOI: 10.1126/science.1092464. ISSN 0036-8075 (ang.). 
  8. Carol E. Cleland, Christopher F. Chyba. „Origins of Life and Evolution of the Biosphere”. 32 (4), s. 387–393, 2002. DOI: 10.1023/A:1020503324273. ISSN 01696149 (ang.). 

Linki zewnętrzne[edytuj]