Powstanie życia

3800 milionów lat temu kilka substancji chemicznych połączyło się ze sobą tworząc związek, który był w stanie odtwarzyć się samodzielnie. Taki był początek życia na naszej planecie.

Sposób powstania materii żywej z materii nie­ożywionej - biogeneza - nadal pozostaje dla nas zagadką. Jednak odkąd Charles Darwin jako pierwszy opisał proces ewolucji wśród roślin i zwierząt, naukowcy powszechnie zaakceptowali pogląd, że wszystkie żywe organizmy podlegają nieustannemu rozwojowi.

W każdym nowym pokoleniu zalety są dosko­nalone, wady usuwane, a jednocześnie poszukuje się nieznanych jeszcze możliwości. Jeden typ organizmów żywych może zapoczątkować po­jawienie się kilku nowych form życia, a potem za­niknąć; może też przetrwać w pierwotnej postaci, doskonale dopasowany do swojej niszy w łańcu­chu ewolucji, podczas gdy jego potomkowie świetnie będą egzystować w innych miejscach.

W rezultacie powstaje wyrafinowana sieć związków łączących wszystkie organizmy za­mieszkujące dzisiaj Ziemię z ich poprzednikami, którzy zniknęli już z powierzchni naszej planety.

Pozostałości wielu wymarłych form życia za­chowały się jako skamieliny bądź składniki biogeniczne, czyli komponenty skał osadowych, będących szczątkami organizmów żywych lub materiałami powstałymi przy ich współudziale.

Skamieliny można znaleźć w skałach osado­wych, których wiek oceniamy za pomocą za­awansowanych metod z użyciem promieni radio­aktywnych. Dzięki temu naukowcy byli w stanie zrekonstruować przybliżony obraz Ziemi na każ­dym etapie jej historii - przybliżony dlatego, ponieważ zachowały się ślady jedynie drobnej części dawno żyjących zwierząt i roślin.

Jedno jest pewne: na podstawie skamielin zna­lezionych w skałach widać jasno, że siatka związ­ków pomiędzy współczesnymi a wymarłymi organizmami przypomina kształt korony drzewa, stale powiększającej się o nowe gałęzie. Wiele gałęzi marnieje i obumiera - na przykład wymarłe 64 miliony lat temu dinozaury - jednak gdy jedne gatunki znikają, inne pojawiają się i rozwijają. Idąc do tyłu którąkolwiek z tych gałęzi doszli-byśmy w końcu do jednego pnia, przodka wszyst­kich organizmów, jakie kiedykolwiek istniały -do samego początku życia.

Ślady w skałach.
Niestety poznawanie początków życia nie jest proste. Według współczesnych ocen Ziemia liczy około 4500 milionów lat, gdy tymczasem najstar­sze skały z widocznymi składnikami biogenicznymi mają mniej niż 590 milionów lat i osadziły się na początku ery zwanej kambrem.

Skamieliny znalezione w skałach kambryjskich przedstawiają bardzo różnorodne formy życia, takie jak robaki i małże. Nie ulega wątpli­wości, że musiały się one rozwinąć z innych organizmów - innymi słowy znajdowały się już w połowie drzewa ewolucji. Rozwój form ży­wych w długiej erze prekambryjskiej jest trudny do ustalenia z powodu faktu, że w tak starych skałach w ogóle nie ma żadnych skamielin.

Główna przyczyna takiego stanu rzeczy jest prosta. Miękkie organizmy trudniej tworzą ska­mieliny, ponieważ po śmierci szybko rozkładają się i nie pozostaje po nich żaden ślad, zanim ota­czające je osady stwardnieją i powstanie z nich skała. Wydaje się, że większość organizmów licznie występujących w czasie ery prekambryj­skiej - na którą przypada 80% historii Ziemi -była zbyt miękka, by pozostawić po sobie kon­kretne ślady.

Nie oznacza to jednak, że żaden ślad po nich nie został. Na początku lat 50-tych naukowcy zaczęli pilnie badać formację skalną pochodzącą sprzed 2000 lat, położoną na brzegach jeziora Superior. W skale zauważono intrygujące białe pierścienie mające w przekroju około metra. Na pierwszy rzut oka nie przypominały substancji organicznych, ale pomimo to naukowcy zdecydo­wali się zbadać cieniutkie fragmenty pierścieni pod mikroskopem o dużym powiększeniu.

Wielkie odkrycie
W rezultacie odkryto niewątpliwe ślady życia: pozostałości maleńkich organizmów przypomi­nających mikroskopijne jednokomórkowe glony i bakterie, żyjące także w naszych czasach. Cu­dem można nazwać to, że te kruche organizmy zostały nasycone krzemionką, która stwardniała, konserwując mikroorganizmy jak muchy zastygłe w bursztynie. Białe pierścienie okazały się być pozostałościami po ich koloniach: kulistych, kamiennych strukturach przypominających kolo­nie koralowców z raf tropikalnych.

Odkrycie to było olbrzymią rewelacją. Na ca­łym świecie naukowcy zaczęli od nowa badać starożytne skały, które wcześniej uznano za poz­bawione skamielin. Dzięki temu wkrótce nastąpi­ły pierwsze odkrycia - najstarsze znalezione do­tąd formy życia, w zachodniej Australii, mają około 3500 milionów lat. Jednocześnie cały czas trwają badania najstarszych - liczących 3,8 mi­liarda lat - znanych nam skał na świecie, znajdu­jących się w południowo-zachodniej Grenlandii. Jednak jak dotąd bez wyraźnych rezultatów.

Bez niespodzianek
Fakt, że te pradawne formy życia przypominają dzisiejsze glony i bakterie nie był zaskoczeniem dla biologów. Zawsze uważano takie jednoko­mórkowe organizmy za najprostsze formy życia i wydaje się logiczne, że powinny też być najstarszymi. Ponieważ organizmy jednokomórkowe mają tak prostą budowę, stosunkowo łatwo jest ustalić ich funkcjonowanie na najbardziej podsta­wowym poziomie. Zamiast interesować się spo­sobem, w jaki pracują narządy i mięśnie, biolodzy zajmujący się bakteriami zastanawiają się, w jaki sposób podstawowe surowce są przetwarzane w jednokomórkowych organizmach na części składowe życia: białka, tłuszcze i cukry.

Prosta komórka.
Tego rodzaju badania są ściśle związane z poszu­kiwaniem początków życia na Ziemi, ponieważ prawdopodobnie takie właśnie przejście - od bier­nych związków chemicznych do żywej tkanki -musiało zapoczątkować cały proces.

Bakteria jest prostą komórką, produkującą dla siebie pożywienie: to galaretowata, wypełniona płynem powłoka pochłaniająca substancje che­miczne składające się z wodoru, tlenu, węgla i azotu, i przekształcająca je w o wiele bardziej złożone związki organiczne, jak białka, które wy­korzystuje przy budowie własnego organizmu, i węglowodany, które dostarczają jej energii.

Budowa DNA.
Powyższe procesy są kontrolowane przez pewien organiczny związek chemiczny, zwany kwasem dezoksyrybonukleinowym, ogólnie znanym jako DNA. Jest to związek chemiczny, który dostarcza instrukcji działania innym substancjom złożo­nym. DNA ma także inną, bardzo ważną cechę: potrafi odtwarzać sam siebie.

Każda cząsteczka DNA jest zbudowana trochę jak spiralna drabina, której boki utworzone są z łańcuchów atomów, połączonych między sobą przypominającymi nici wiązaniami. W razie po­trzeby cała struktura może ulec zerwaniu, przy czym każda „nitka" dzieli się w połowie. Kiedy dwie części drabiny rozchodzą się, „nitki" przy­ciągają inne związki chemiczne, które łączą się z nimi uzupełniając brakujące części - w ten spo­sób z jednej drabiny tworzą się dwie.

Ta na pozór łatwa „sztuczka" stanowi esencję życia. Dzięki niej proste organizmy mogą rosnąć i rozmnażać się przez podział, będący pewnego rodzaju parodią procesu chemicznego zachodzą­cego wewnątrz. W bardziej złożonych formach rozmnażające się komórki zaczynają współpraco­wać ze sobą, tworząc wielokomórkowe struktury, przy czym każda struktura stanowi jedynie część niezwykle skomplikowanego organizmu. Cały proces jest kontrolowany przez kod genetyczny wbudowany w 'cząsteczki DNA. Kod ten jest róż­ny dla każdego gatunku, a nawet dla poszczegól­nych jednostek.

W służbie DNA.
Wszystkie pozostałe procesy życiowe - jedzenie, picie, wydalanie to w gruncie rzeczy mechani­zmy, których celem jest służenie DNA i wspoma­ganie jego aktywności.

DNA jest bardzo złożoną substancją, a im bar­dziej skomplikowana forma życia, tym bardziej skomplikowane DNA. DNA w komórce bakterii jest bardzo proste, a jednak tworzy labirynt złożo­ny z tysięcy atomów ustawionych w grupy zwane nukleotydami - są to związki cukrów, fosforanów i innych składników.

Każdy nukleotyd jest sam w sobie skompliko­waną strukturą, podobnie rzecz się ma z innymi cząstkami organicznymi, jak białka i węglowoda­ny. Na przykład białka są zbudowane z łańcu­chów aminokwasów - znamy 20 typów takich związków - ułożonych w określonej kolejności. Prosty łańcuch może składać się ze 100 ogniw ale inne mogą mieć ich tysiące. Cały układ jest zdeterminowany przez kod genetyczny zapisany w DNA organizmu.

Najbardziej podstawowa komórka bakterii zawiera białka, węglowodany i DNA (oraz inne kwasy nukleinowe). Te składniki muszą być obecne, jeśli komórka ma spełniać swoje funkcje. Ponieważ takie komórki są najbardziej prymityw­nymi formami życia, jakie udało się dotąd odkryć nasuwa się wniosek, że rozwinęły się one ze struktur nieożywionych, w których nastąpiła syn­teza podstawowych komponentów życia.

Iskra.
Chociaż nikt nie wie na pewno, jak wyglądał świat przed 3,8 miliardami lat, w latach dwudzie­stych dwaj naukowcy, Oparin i Haldane, wysunę­li sugestię, że w owych czasach atmosfera była niemal całkowicie pozbawiona tlenu, a za to obfi­towała w amoniak, wodę, tlenek węgla, metan, wodór i pewną ilość innych substancji. Oparin i Haldane zasugerowali także, że powierzchnia Ziemi mogła być w przeważającej części zalana gorącą wodą, podgrzewaną przez ciekłe skały żarzące się tuż pod powierzchnią cieniutkiej sko­rupy stanowiącej dno oceanu.

Naukowcy wysunęli tezę, że ta mieszanka ga­zów i gorącej wody - tzw. „bulion" - zawierała wszystkie składniki potrzebne do syntezy żywych organizmów. Kluczowa reakcja miała zostać wy­wołana przez aktywność wulkaniczną, intensyw­ne promieniowanie nadfioletowe przenikające przez cienką warstwę atmosfery albo energię elektryczną pochodzącą z wyładowań atmosfe­rycznych. Ta teoria została przetestowana do­świadczalnie przez amerykańskiego naukowca Stanleya Millera w 1953 roku.

Za pomocą dwóch kolb i kilku szklanych rurek Miller zbudował model pradawnego świata. W jednej kolbie zmieszał roztwór, który, teore­tycznie, miał taki sam skład co woda morska. Przestrzeń nad wodą napełnił mieszaniną gazów, które, również teoretycznie, miały odpowiadać składowi atmosfery. Szklana rurka łączyła tę kol­bę z drugą, zawierającą elektrody, których zada­niem było wywołanie iskry - maleńkiej błys­kawicy. Odpływ z komory iskrowej prowadził przez kolejną rurkę dochodzącą z powrotem do pierwszej kolby przez skraplacz i zbiornik otrzy­manych produktów reakcji w kształcie litery U.

Kiedy Miller podgrzał mieszaninę w pierwszej kolbie, zmieniła ona postać na gazową, prze­wędrowała do komory iskrowej, potem została skroplona i powróciła do pierwszej kolby. Po całotygodniowym podgrzewaniu, poddawaniu działaniu iskry i skraplaniu mieszaniny nastąpiła analiza zawartości kolby.

Rezultaty wynagrodziły wysiłek. Badana mik­stura zawierała trzy aminokwasy - składniki po­trzebne do budowy białek. Inni naukowcy za­akceptowali teorię i zaczęli prowadzić podobne eksperymenty, otrzymując w ich wyniku więcej aminokwasów, a nawet proste nukleotydy - pod­stawowe składniki DNA.

Końcowe wioski
Opisane eksperymenty wydają się być przeko­nujące. W rezultacie można przypuszczać, że w przeciągu kilku milionów lat naukowcom uda­łoby się zsyntetyzować dużą ilość całych białek. Nawet samo DNA, składające się z tysięcy precy­zyjnie ułożonych atomów mogłoby powstać w wyniku takich reakcji. Przypadkowo powstały kwas dezoksyrybonukleinowy mógłby powielać sam siebie, budować własne białka i inne złożone substancje organiczne i rozwinąć się w zdolną funkcjonować i rozmnażać formę życia, jaką jest komórka bakterii.

Taki lub podobny proces musiał chyba kiedyś zajść, ale matematyczne prawdopodobieństwo wygenerowania złożonej substancji, czyli białka lub samego DNA, na drodze przypadkowego po­łączenia związków chemicznych w prymityw­nym morzu jest nieskończenie małe.

Szanse takiego zdarzenia można porównać do rozpatrywań dotyczących małpy i maszyny do pisania: jeśli damy stworzeniu dostateczną ilość papieru i kilka lat na eksperymenty z pisaniem, może się zdarzyć, że skleci kilka zrozumiałych wyrazów; jednak szanse na to, że małpa stworzy wielkie dzieło literackie są praktycznie żadne.

Tak małe prawdopodobieństwo jest obecnie szeroko zaakceptowane przez naukowców. Ich wysiłki koncentrują się teraz na szukaniu mecha­nizmu, który sprawia, że aminokwasy, takie jak te otrzymane w laboratorium Millera, łączą się two­rząc białka bez instrukcji DNA.

Jeśli uda się znaleźć taki mechanizm, zbliżymy się do odkrycia początków DNA, a co za tym idzie, do początków życia na Ziemi.

Nim na Ziemi pojawiło się życie, atmosfera zawierała związki chemiczne, takie jak metan, wodór, amoniak i woda. Reakcje chemiczne nastapiły w morzu; cząsteczki cukrów połączyły się dając skrobię i celulozozę, aminokwasy zapoczątkowały powstawanie białek.Gdy cukry i związki azotu połączyły się ze sobą , powstało DNA, związek chemiczny zdolny odtwarzać sam siebie.

Eksperyment Millera

Za pomocą takiego aparatu Stanley Miller udowodnił, że wiele podstawowych związków potrzebnych do powstania życia można otrzymać z prostych gazów, takich jak wodór,, amoniak, metan i para wodna na drodze podgrzewania i poddawania działania iskry elektrycznej. Inni naukowcy poszli jego śladem o otrzymali kolejne aminokwasy, a nawet proste nukleotydy.