Življenje na Zemlji se je pojavilo pred več kot 3,5 milijarde let - težko je natančneje določiti trenutek, čeprav le zato, ker ni enostavno potegniti črte med »skoraj živimi« in »resnično živimi«. Vendar lahko zagotovo rečemo, da se je ta čarobni trenutek raztegnil na dolga, dolga milijona let. Kljub temu je bil pravi čudež.
Če želite ceniti ta čudež v njegovi resnični vrednosti, se morate seznaniti s številnimi sodobnimi teorijami, ki opisujejo različne možnosti in faze rojstva življenja. Od živahnega, a neživega nabora preprostih organskih spojin do protoorganizmov, ki so poznali smrt in vstopili v neskončno raso biološke spremenljivosti. Navsezadnje, ali ta dva izraza - neskladnost in smrt - ne povzročata celotnega seštevka življenja?..
1. Panspermija
Hipoteza o prinašanju življenja na Zemljo z drugih kozmičnih teles ima veliko avtoritativnih zagovornikov. To stališče so zavzeli veliki nemški znanstvenik Hermann Helmholtz in švedski kemik Svante Arrhenius, ruski mislec Vladimir Vernadsky in britanski lord fizik Kelvin. Vendar je znanost kraljestvo dejstev in po odkritju kozmičnega sevanja in njegovega uničevalnega učinka na vsa živa bitja se je zdelo, da panspermija umira.
Toda globlje kot se znanstveniki spuščajo v tem vprašanju, več odtenkov se je pojavilo. Tako zdaj - vključno s številnimi poskusi na vesoljskih ladjah - jemljemo veliko resneje sposobnost živih organizmov, da prenašajo sevanje in mraz, pomanjkanje vode in druge "užitke" bivanja v vesolju. Najdbe vseh vrst organskih spojin na asteroidih in kometih, v oddaljenih gručah plina in prahu ter protoplanetarnih oblakih so številne in nedvomno. Toda trditve o odkritju sledov nečesa sumljivo podobnega mikrobov ostajajo nedokazane.
Zlahka je videti, da teorija panspermije samo zaradi svoje fascinacije prenaša vprašanje nastanka življenja na drug kraj in drug čas. Karkoli je prineslo prve organizme na Zemljo - pa naj gre za naključni meteorit ali zvit načrt visoko razvitih vesoljcev, so se morali nekje in nekako roditi. Ne tukaj in mnogo dlje v preteklost - ampak življenje je moralo prerasti iz brezživne materije. Vprašanje "Kako?" ostanki.
Promocijski video:
1. Neznanstveno: spontana generacija
Spontani izvor visoko razvite žive snovi iz nežive snovi - kot je rojstvo mučjih ličink v gnilem mesu - je mogoče povezati z Aristotelom, ki je posplošil misli mnogih predhodnikov in oblikoval celostno doktrino spontane generacije. Tako kot drugi elementi Aristotelove filozofije je bila tudi spontana generacija prevladujoča doktrina v srednjeveški Evropi in je uživala določeno podporo do poskusov Louisa Pasterja, ki so dokončno pokazali, da se tudi ličinke muh zahtevajo, da se pojavijo starševske muhe. Ne zamenjujte spontane generacije s sodobnimi teorijami abiogenega izvora življenja: razlika med njima je temeljna.
2. Primarna juha
Ta koncept je tesno povezan s klasičnimi poskusi, ki jim je Stanley Miller in Harold Urey uspelo pridobiti status v petdesetih letih prejšnjega stoletja. V laboratoriju so znanstveniki modelirali pogoje, ki bi lahko obstajali v bližini površine mlade Zemlje - mešanico metana, ogljikovega monoksida in molekularnega vodika, številne električne izpuste, ultravijolično svetlobo - in kmalu se je več kot 10% ogljika iz metana pretvorilo v obliko različnih organskih molekul. V poskusih Miller-Urey smo dobili več kot 20 aminokislin, sladkorjev, lipidov in predhodnikov nukleinske kisline.
Sodobne različice teh klasičnih eksperimentov uporabljajo veliko bolj izpopolnjene nastavitve, ki se bolje ujemajo s pogoji zgodnje Zemlje. Simulirajo vpliv vulkanov z njihovimi emisijami vodikovega sulfida in žveplovega dioksida, prisotnostjo dušika itd. Tako znanstvenikom uspe pridobiti ogromno in raznoliko količino organske snovi - potencialnih gradnikov potencialnega življenja. Glavni problem teh poskusov ostaja racemat: izomere optično aktivnih molekul (kot so aminokisline) tvorimo v mešanici v enakih količinah, medtem ko vse življenje, ki nam je znano (z nekaj in čudnimi izjemami), vključuje le L-izomere.
Vendar se bomo k tej težavi vrnili kasneje. Tu je treba dodati, da je nedavno - leta 2015 - profesor iz Cambridgea John Sutherland in njegova ekipa pokazali možnost tvorbe vseh osnovnih "molekul življenja", komponent DNK, RNA in beljakovin iz zelo preprostega nabora začetnih komponent. Glavni junaki te mešanice so cianid vodik in vodikov sulfid, ki v vesolju nista tako redki. Njim je treba dodati nekaj mineralov in kovin, ki so na Zemlji prisotni v zadostnih količinah, na primer fosfate, bakrove in železove soli. Znanstveniki so zgradili podrobno reakcijsko shemo, ki bi lahko ustvarila bogato "prvotno juho", tako da se v njej pojavijo polimeri in pride v poštev popolna kemična evolucija.
Hipotezo o abiogenem izvoru življenja iz "organske juhe", ki so jo preizkusili poskusi Millerja in Ureja, je leta 1924 predstavil sovjetski biokemik Aleksander Oparin. In čeprav je znanstvenik v "temnih letih" razcveta Lysenkoizma vzel stran nasprotnikov znanstvene genetike, so njegove zasluge velike. Kot priznanje za vlogo akademika njegovo ime nosi glavno nagrado, ki jo je podelilo Mednarodno znanstveno društvo za proučevanje nastanka življenja (ISSOL) - medaljo Oparin. Nagrada se podeli vsakih šest let, v različnih obdobjih pa sta bila podeljena tako Stanley Miller kot velik raziskovalec kromosomov, nobelov nagrajenec Jack Shostak. Kot priznanje za ogromen prispevek Harolda Ureyja ISSOL podeljuje Ureyjevo medaljo med Oparinovo medaljo (tudi vsakih šest let). Rezultat je edinstvena, prava evolucijska nagrada - s spremenljivim imenom.
3. Kemijska evolucija
Teorija poskuša opisati pretvorbo sorazmerno preprostih organskih snovi v precej zapletene kemične sisteme, predhodnike samega življenja, pod vplivom zunanjih dejavnikov, mehanizmov selekcije in samoorganizacije. Osnovni koncept tega pristopa je "vodno-ogljikov šovinizem", ki predstavlja ti dve komponenti (voda in ogljik - NS) kot nujno potrebni in ključni za nastanek in razvoj življenja, bodisi na Zemlji ali nekje onstran nje. In glavni problem ostajajo pogoji, pod katerimi se lahko "šovinizem z vodo-ogljikom" razvije v zelo prefinjene kemične komplekse, ki so sposobni najprej samo-razmnoževanja.
Po eni od hipotez bi lahko v mikroporah glinenih mineralov prišlo do primarne organizacije molekul, ki so imele strukturno vlogo. Škotsko kemičar Alexander Graham Cairns-Smith je to idejo pred nekaj leti predstavil. Zapletene biomolekule bi se lahko naselile in polimerizirale na njihovi notranji površini, kot na matriki: Izraelski znanstveniki so pokazali, da takšni pogoji omogočajo rast dovolj dolgih verig beljakovin. Tu se lahko naberejo potrebne količine kovinskih soli, ki igrajo pomembno vlogo katalizatorjev kemičnih reakcij. Glinene stene bi lahko delovale kot celične membrane, ki delijo "notranji" prostor, v katerem se odvijajo vse bolj zapletene kemične reakcije, in ločujejo od zunanjega kaosa.
Površine kristalnih mineralov bi lahko služile kot "matrike" za rast molekul polimerov: prostorska struktura njihove kristalne rešetke je sposobna izbrati samo optične izomere ene vrste - na primer L-aminokisline -, ki rešujejo problem, o katerem smo govorili zgoraj. Energijo za primarni "metabolizem" lahko oskrbujemo z anorganskimi reakcijami, kot je redukcija mineralnega pirita (FeS2) z vodikom (do železovega sulfida in vodikovega sulfida). V tem primeru za pojav kompleksnih biomolekul ni potrebno niti strelovje niti ultravijolično sevanje, kot v Miller-Ureyjevih poskusih. To pomeni, da se lahko znebimo škodljivih vidikov njihovega delovanja.
Mlada zemlja ni bila zaščitena pred škodljivimi - in celo smrtonosnimi - sestavnimi deli sončnega sevanja. Celo sodobni evolucijsko preizkušeni organizmi ne bi mogli zdržati tega ostrega ultravijoličnega sevanja - kljub dejstvu, da je bilo Sonce samo veliko mlajše in planetu ni dajalo dovolj toplote. Iz tega je nastala hipoteza, da je bilo v dobi, ko se je dogajal čudež nastanka življenja, celotno Zemljo prekriti z debelo plastjo ledu - sto metrov; in to za najboljše. Skrivanje pod to ledeno ploskev bi se lahko življenje počutilo popolnoma varno pred ultravijoličnim sevanjem in pred pogostimi udarci meteorja, ki so grozili, da ga bodo uničili v popku. Tudi razmeroma hladno okolje lahko stabilizira strukturo prvih makromolekul.
4. Črni kadilci
Dejansko je ultravijolično sevanje na mladi Zemlji, katere ozračje še ni vsebovalo kisika in ni imelo tako čudovite stvari, kot je ozonska plast, moralo biti smrtonosno za vsako začetno življenje. Iz tega je rasla domneva, da so krhki predniki živih organizmov prisiljeni nekje obstajati, ki so se skrivali pred neprekinjenim tokom sterilizacije vsega in vseh žarkov. Na primer, globoko pod vodo - seveda tam, kjer je dovolj mineralov, mešanja, toplote in energije za kemične reakcije. In takšna mesta so bila najdena.
Proti koncu dvajsetega stoletja je postalo jasno, da dno oceana nikakor ne more biti zatočišče srednjeveških pošasti: razmere tukaj so preostre, temperatura je nizka, ni sevanja in redka organska snov se lahko naseli s površine. V resnici gre za ogromne polpuščave - z nekaj izjemnimi izjemami: prav tam, globoko pod vodo, v bližini izlivov geotermalnih izvirov, je življenje dobesedno v polnem razmahu. Črna voda, nasičena s sulfidi, je vroča, aktivno mešana in vsebuje veliko mineralov.
Kadilci črnega oceana so zelo bogati in izraziti ekosistemi: bakterije, ki se hranijo z njimi, uporabljajo reakcije železa in žvepla, o katerih smo že govorili. So osnova za popolnoma cvetoče življenje, vključno z vrsto edinstvenih črvov in kozic. Morda so bili osnova za nastanek življenja na planetu: vsaj teoretično takšni sistemi nosijo vse potrebno za to.
2. Neznanstveni: Duhovi, bogovi, predniki
Kakršni koli kozmološki miti o nastanku sveta so vedno okronani z antropogoničnimi - o izvoru človeka. In v teh fantazijah lahko samo zavidamo domišljiji starodavnih avtorjev: na vprašanje, kaj, kako in zakaj je vzniknil kozmos, kje in kako se je pojavilo življenje - in ljudje -, so različice zvenele zelo različno in skoraj vedno lepo. Rastline, ribe in živali je z morskega dna ujel ogromen raven, ljudje so se plazili iz telesa prednika Panguja, saj so se črvi, oblikovani iz gline in pepela, rodili iz porok bogov in pošasti. Vse to je presenetljivo poetično, a seveda nima nobene zveze z znanostjo.
5. Svet RNK
V skladu z načeli dialektičnega materializma je življenje "enotnost in boj" dveh načel: spreminjanja in podedovanih informacij na eni strani ter biokemijskih, strukturnih funkcij na drugi strani. Brez drugega je nemogoče - vprašanje, kje se je začelo življenje z informacijami in nukleinskimi kislinami ali s funkcijami in proteini, ostaja eno najtežjih. In ena izmed znanih rešitev tega paradoksalnega problema je hipoteza "sveta RNA", ki se je pojavila v poznih šestdesetih letih in se končno oblikovala v poznih osemdesetih letih.
RNA - makromolekule pri shranjevanju in prenosu informacij niso tako učinkovite kot DNK in pri opravljanju encimskih funkcij - niso tako impresivne kot beljakovine. Toda molekule RNA so sposobne obojega in do zdaj služijo kot prenosna vez pri izmenjavi informacij celice in v njej katalizirajo številne reakcije. Proteini se ne morejo podvajati brez DNK informacij, DNK pa tega ni sposoben brez beljakovinskih "spretnosti". Po drugi strani je RNA lahko popolnoma samostojna: lahko katalizira lastno "reprodukcijo" - in to je dovolj za začetek.
Študije v okviru hipoteze svetovne RNK so pokazale, da so te makromolekule sposobne popolne kemične evolucije. Vzemimo za primer ilustrativni primer, ki so ga pokazali kalifornijski biofiziki pod vodstvom Lesleja Orgela: če dodamo etidijev bromid k raztopini RNK, ki je zmožna samo-razmnoževanja, ki služi kot strup za ta sistem, ki blokira sintezo RNA, nato malo po malo, s spremembo generacij makromolekul v mešanici Pojavijo se RNA, ki so odporne celo na zelo visoke koncentracije toksina. Nekaj takega, ki se razvija, bi prve molekule RNK lahko našle način za sintezo prvih orodij-beljakovin, nato pa - v kombinaciji z njimi - odkrile zase dvojno vijačnico DNK, ki je idealen nosilec dednih informacij.
3. Neznanstveno: nespremenljivost
Nič bolj znanstvenega od zgodb o prvih prednikih ni mogoče imenovati stališča, ki nosijo glasno ime Teorija stacionarne države. Po besedah njenih podpornikov še nikoli ni nastalo življenje - tako kot se Zemlja ni rodila, niti kozmos se ni pojavil: preprosto so bili vedno, vedno in bodo ostali. Vse to ni nič bolj upravičeno kot črvi Pangu: da bi takšno "teorijo" vzeli resno, bo treba pozabiti na nešteto ugotovitev paleontologije, geologije in astronomije. In pravzaprav opustiti celotno veličastno zgradbo sodobne znanosti - vendar se je potem verjetno treba odpovedati vsemu, kar so zaslužni njeni prebivalci, vključno z računalniki in nebolečim zobozdravstvenim zdravljenjem.
6. Protocelice
Vendar preprosta replikacija ni dovolj za "normalno življenje": vsako življenje je najprej prostorsko izolirano območje okolja, ki ločuje presnovne procese, olajša potek nekaterih reakcij in omogoča izključitev drugih. Z drugimi besedami, življenje je celica, omejena s polprepustno membrano, sestavljeno iz lipidov. In "protocelice" bi se morale pojaviti že v najzgodnejših fazah obstoja življenja na Zemlji - prvo hipotezo o njihovem izvoru je izrazil Aleksander Oparin, ki nam je dobro znan. Po njegovem mnenju lahko kapljice hidrofobnih lipidov, ki spominjajo na rumene kapljice olja, ki plavajo v vodi, lahko služijo kot "protomembrane".
Na splošno znanstvenikove ideje sprejema sodobna znanost, v to temo pa se je vključil tudi Jack Shostak, ki je za svoje delo prejel Oparinovo medaljo. Skupaj s Katarzyno Adamalo je uspel ustvariti nekakšen model "protocell", katerega analog membrane ni sestavljen iz sodobnih lipidov, temveč iz še preprostejših organskih molekul, maščobnih kislin, ki bi se lahko nakopičila na mestih izvora prvih protoorganizmov. Shostak in Adamala sta celo uspeli "oživiti" svoje strukture tako, da sta mediju dodali magnezijeve ione (spodbudili delo RNR polimeraze) in citronsko kislino (stabilizirali strukturo maščobnih membran).
Kot rezultat, so končali s povsem preprostim, a nekoliko živečim sistemom; vsekakor je šlo za običajno protocelo, ki je vsebovala membransko zaščiteno okolje za razmnoževanje RNA. Od tega trenutka lahko zaprete zadnje poglavje prazgodovine življenja - in začnete prva poglavja njegove zgodovine. Vendar je to popolnoma drugačna tema, zato bomo govorili le o enem, vendar izjemno pomembnem konceptu, ki je povezan s prvimi koraki evolucije življenja in nastankom ogromne raznolikosti organizmov.
4. Neznanstveno: Večna vrnitev
"Korporativni" prikaz indijske filozofije, v zahodni filozofiji, povezan z deli Immanuela Kanta, Friedricha Nietzscheja in Mircee Eliade. Poetična slika večnega potepanja vsake žive duše skozi neskončno število svetov in njihovih prebivalcev, njene preobrazbe v nepomembno žuželko, nato v vzvišenega pesnika ali celo v bitje, ki nam ni znano, demona ali boga. Kljub pomanjkanju idej o reinkarnaciji je Nietzsche resnično blizu tej ideji: večnost je večna, kar pomeni, da lahko vsak dogodek v njej - in ga je treba ponoviti znova. In vsako bitje se neskončno vrti na tej vrtiljki univerzalnega vračanja, tako da se vrti samo glava, sama težava primarnega izvora pa izgine nekje v kaleidoskopu neštetih ponovitev.
7. Endosimbioza
Poglejte se v ogledalo in si poglejte v oči: bitje, s katerim se spogledujete, je kompleksen hibrid, ki se je pojavil že od nekdaj. Konec 19. stoletja je nemško-angleški naravoslovec Andreas Schimper opazil, da se kloroplasti, organeli rastlinskih celic, odgovorni za fotosintezo, razmnožujejo ločeno od same celice. Kmalu se je pojavila hipoteza, da so kloroplasti simbionti, celice fotosintetskih bakterij, ki jih je gostitelj nekoč pogoltnil - in tu pustili živeti za vedno.
Seveda nimamo kloroplastov, sicer bi se lahko hranili s sončno svetlobo, kot nakazujejo nekatere psevdoreligijske sekte. Vendar se je v dvajsetih letih prejšnjega stoletja hipoteza o endosimbiozi razširila in vključila mitohondrije, organele, ki porabljajo kisik in oskrbujejo z energijo vse naše celice. Do danes je ta hipoteza pridobila status popolne, večkrat dokazane teorije - zadostuje, da imamo mitohondrije in plastide svoj genom, bolj ali manj mehanizme delitve celic in lastne sisteme za sintezo beljakovin.
V naravi so ugotovili tudi druge endosimbionte, ki za seboj nimajo več milijard let skupne evolucije in so na celici manj globoke integracije. Na primer, nekatere ameje nimajo svojih mitohondrij, vendar so znotraj njih bakterije, ki opravljajo svojo vlogo. Obstajajo hipoteze o endosimbiotskem izvoru drugih organelov - vključno z flagelami in cilijami in celo celičnim jedrom: po mnenju nekaterih raziskovalcev smo vsi evkarioti posledica nenadzovane fuzije med bakterijami in arhejami. Te različice še niso našle stroge potrditve, vendar je eno jasno: takoj ko se je pojavilo, je življenje začelo vsrkati svoje sosede - in z njimi komunicirati, tako da je rodilo novo življenje.
5. Neznanstveno: kreacionizem
Že sam koncept kreacionizma se je pojavil v 19. stoletju, ko so to besedo začeli imenovati podporniki različnih različic pojavnosti sveta in življenja, ki so jih predlagali avtorji tore, biblije in drugih svetih knjig monoteističnih religij. Vendar v resnici ustvarjalci niso ponudili nič novega v primerjavi s temi knjigami, vedno znova poskušali ovrgli stroge in temeljne ugotovitve znanosti - in v resnici vedno znova izgubljati eno pozicijo. Na žalost je ideje sodobnih psevdoslovcev-kreacionistov veliko lažje razumeti: za razumevanje teorij resnične znanosti je potrebno veliko truda.
Sergej Vasilijev