Geneza życia w ujęciu filozoficznym (Konrad Karaszewski)  ekstrakt z wykładów
Definicja życia  nie ma jednoznacznej definicji życia, ale przyjmuje się, że musi
charakteryzować się ono trzema cechami: metabolizmem, replikacją oraz zdolnością
do ewolucji. Większość badaczy dodaje jako czwartą cechę, oddzielenie od
środowiska.
Teoria samorództwa  teoria powstania życia wg której powstaje ono wskutek sił
natury, uwzględnia ciągłe powstawanie zaawansowanych organizmów bez udziału
nasienia czy rodziców. Należy uwzględnić, że teoria ta budziła wątpliwości
ówczesnych badaczy  jeden z argumentów przeciw był nawet religijnej natury,
jednakże mechanizm powstawania małych istot (muchy, myszy itp.) był wówczas
nieznany w przeciwieństwie oczywiście do słynnego  Omne vivum ex ovo
( wszystko, co żywe powstaje z jaja (istoty żywej)
Witalizm/Mechanicyzm  w obu stanowiskach wychodzi siÄ™ od tego samego
założenia o budowie organizmu jako układu materialnego złożonego z
uporządkowanych i różnych od siebie części, które na siebie oddziałują.
Mechanicyzm to poszukiwanie zasad działania całości w zasadach działania części,
a bardziej konkretnie to stosowanie praw fizyki i chemii do wyjaśniania zagadnień
biologicznych. Witalizm do twierdzenia o całości jako sumie części dodaje
niematerialny, duchowy, empirycznie nieweryfikowalny czynnik, którym warunkuje
całościowy charakter układu żywego.
Panspermia. Na początku XX wieku wielu badaczy próbowało rozwiązać zagadkę
powstania życia, omijając pytanie o jego pochodzenie. Fizycy podążając za konkluzją
Pasteura, że życie może zostać zrodzone z innego życia, twierdzili, że nigdy się ono
nie narodziło, a jest raczej wieczne, jak sama materia. Na przełomie wieków, pojawiło
się wiele teorii sugerujących, że w jakiejś nieodkrytej części kosmosu warunki
sprzyjają odwiecznemu życiu i, że zostało ono dostarczone na Ziemię. Wszystkie
wersje panspermii bazowały na tym samym założeniu o odrębności kategorii do
jakich zaliczyć można życie oraz materię. Dodatkowo, opierały się one o prawa
konserwacji materii i energii, które sugerowały wieczność wszechświata  w takim
modelu, materia jest wieczna, a jedynie forma ulega zmianie.
1
Hipoteza  prebiotycznego bulionu  autorstwo hipotezy przypisuje się dwóm
autorom. Pierwszym z nich jest Aleksandr Iwanowicz Oparin, drugim John Burdon
Sanderson Haldane, którzy mniej więcej w tym samym czasie (1929 rok), nie
kontaktując się ze sobą utworzyli jej podwaliny. Dlatego też hipoteza ta dziś
nazywana jest również hipotezą Oparina-Haldane a. Jest ona istotna dlatego, że obaj
autorzy założyli w niej, że do powstania pierwszych układów ożywionych musiało
dojść w wyniku reakcji biochemicznych pomiędzy cząsteczkami organicznymi na
pierwotnej Ziemi oraz określili oni warunki biogeochemiczne w jakich życie miałoby
się narodzić.
Oparin i Haldane, każdy na swój sposób, uznając złożoność komórki, z jej
wielofunkcyjnymi organellami i systemem reakcji chemicznych wspomaganych
enzymatycznie, pragnęli pokazać przejście pomiędzy materią nieożywioną, a
układami ożywionymi, wskazując na pośrednie kroki jej ewolucji.
Hipoteza Oparina-Haldane a bazuje głównie na tym, że do powstania życia w postaci
prakomórki, miało dojść w górnej warstwie oceanów na pierwotnej Ziemi. Pierwotna
atmosfera była całkowicie wolna od tlenu, a w wyniku współoddziaływania
promieniowania UV, rozpuszczonego dwutlenku węgla i obecnego w beztlenowej
atmosferze amoniaku, zaszła synteza związków organicznych w górnej warstwie
oceanów. W wyniku zachodzących procesów, pierwotny ocean stawał się
rozpuszczonym roztworem cząsteczek organicznych, któremu J.B.S. Haldane nadał
nazwę  gorącej rozpuszczonej zupy . Po wielu nieudanych próbach, doszło do
syntezy praprzodka komórki wyposażonej w uproszczone mechanizmy, jakimi
dysponują współczesne komórki oraz oddzielonego od środowiska lipidową
membraną. Od czasu powstania, hipoteza Oparina-Haldane a doczekała się
oczywiście wielu wersji, modyfikowanych w zależności od ogólnego stanu wiedzy
pokrewnych dyscyplin. Pierwotny ocean mógł nie być dobrym środowiskiem dla
reakcji chemicznych, które z podstawowych pierwiastków, miały utworzyć złożone
struktury cząsteczek, stanowiące budulec organizmów żywych. Główny problem
stanowi zbyt wielkie rozproszenie czÄ…steczek. ZwiÄ…zki biogenne znaczeniu, sÄ… po
prostu zbyt rozcieńczone w wodzie.
2
Prace Aleksandra Oparina - Celem Oparina było pokazanie, że wszystkie główne
cechy układu ożywionego, takie, jak organizacja komórkowa, metabolizm,
reprodukcja i wykazywanie reakcji na bodz
ce zewnętrzne, mają swoje równoznaczne
przejawy w postaci fizycznych i chemicznych mechanizmów. Był przeciwnikiem
koncepcji witalistycznych, głoszących, że złożoność biologicznej organizacji nie
jest w stanie ewoluować z materii nieożywionej.
Idea Oparina, aby pokazać przejście pomiędzy materią nieożywioną, a systemami
ożywionymi odniosła się do dziedziny chemii jaką była chemia koloidów. W 60
latach dziewiętnastego wieku, grupa substancji chemicznych, takich jak skrobia,
kleje, żelatyna i inne proteiny były charakteryzowane według ich zachowania się w
roztworach. Koloidy w odróżnieniu od krystaloidów, takich jak sole czy
polisacharydy, charakteryzowały się ograniczoną zdolnością do rozpuszczania się i
krystalizacji oraz poprzez formowanie zawiesiny na powierzchni rozpuszczalników.
Dziś wiemy, że zachowanie się w roztworach uzależnione jest od wielkości
rozpuszczanych cząsteczek, ale w tamtych czasach, chemia koloidów była głównym
narzędziem badania komórki, jej protoplazmy oraz wewnętrznych organelli. Tak
zatem, zgodnie z hipotezą A. Oparina, składniki organiczne utworzyły, w pierwotnym
oceanie, jakiś rodzaj koloidowego roztworu. Kiedy roztwór zawierający określone
polimery osiąga dane stadium koncentracji, następuje proces zwany koagulacją.
Proces ten uwzględnia asocjację polimerów takich, jak cukry i proteiny, pod wpływem
sił wewnątrzcząsteczkowych do form mikroskopijnych kropelek, zwanych
 koacerwatami . Koacerwaty charakteryzują się oddzieleniem od środowiska oraz
zdolnością do absorbowania z otoczenia małych cząsteczek organicznych, takich jak
monocukry czy aminokwasy. Mogą absorbować także większe cząsteczki, jak
proteiny, które mogłyby funkcjonować jako pierwsze, w historii życia na Ziemi,
enzymy. Funkcjonowanie prostego metabolizmu koacerwatów zostało
eksperymentalnie udowodnione przez A. Oparina. W wyniku absorpcji czÄ…steczek
fosforanu glukozy, przemieniał się on w skrobię, skutkiem czego kropelki rosły, a po
osiągnięciu pewnej wielkości dochodziło do ich podziału. W wyniku tego podziału,
niektóre z cech  komórki rodzicielskiej , szczególnie wewnętrzna organizacja
cząsteczek proteinowych odpowiedzialna za zdolność do absorbowania materiału i
narastania, zostały przekazywane na  komórki potomne . Oparin próbował
wytworzyć koacerwaty z polipeptydów, polisacharydów lub z kwasów nukleinowych.
Cząsteczki te w wodnym roztworze przyjmowały względnie stałe krople powleczone
3
błoną. Krytycy wskazali, że twory produkowane przez Oparina są sztuczne i nie
pochodzą z abiogennego materiału, lecz z materiałów z systemów już ożywionych.
Wskazywali również na wątpliwą stabilność tak uzyskanych koacerwatów.
Aleksander Oparin zasugerował, że wśród koacerwatów mógł funkcjonować pewien
rodzaj selekcji naturalnej, w wyniku której kropelki obdarzone lepszą organizacją
wewnętrzną wzrastały i reprodukowały się szybciej od pozostałych. Twierdził on, że
zdolność do utrzymania prymitywnego metabolizmu, wzrastania i reprodukcji oraz
rywalizacja oparta o zróżnicowanie w przystosowaniu do warunków środowiska
przeniosła ewolucję na poziom złożonych i zaawansowanych układów. Ustanowił w
ten sposób paradygmat metabolizmem, związany z kluczową cechą, którą musi
charakteryzować się pierwszy ożywiony układ w historii naszej planety.
Na dalszym etapie, wszystkie materiały organiczne w środowisku uległy wyczerpaniu
i jedynie organizmy, które opanowały heterotrofię mogły przetrwać i kontynuować
swój rozwój. W ten sposób doszło do wypracowania mechanizmu fotosyntezy.
Prace J.B.S. Haldane a  John Burdon Sanderson Haldane zainspirowany
był dokonaniami na polu rozwijającej się genetyki, odkryciem wirusów i pracami
nad syntezą cukrów. Wyszedł z założenia, że pierwotna atmosfera nie zawierała
tlenu albo zawierała go w znikomej ilości. Swoje przypuszczenia oparł na hipotezie,
że węgiel jaki odnajdujemy teraz w postaci węgla kopalnego wraz z innymi
organicznymi szczątkami oraz w różnorodnych złożach mineralnych, był w
przeszłości dwutlenkiem węgla wiążącym cały obecny na planecie wolny tlen. Jak
wierzył J.B.S. Haldane, pierwotna atmosfera zawierała dwutlenek węgla, amoniak
oraz parę wodną. Podążając tym tropem, wnioskował, że z powodu braku tlenu, nie
istniała powłoka ozonowa, w wyniku czego możliwe było stałe oddziaływanie
promieniowania ultrafioletowego słońca. Promieniowanie to, jak podkreślał było
wysoce energetyczne i mogło pomóc w syntezie organicznych składników z
nieorganicznych cząsteczek. W wyniku takiej syntezy, składniki organiczne
formowały coraz to bardziej złożone cząsteczki, które kumulowały się w pierwotnym
oceanie, tworząc  gorącą rozpuszczoną zupę . Haldane zakładał, że pierwsze
ożywione lub na wpół-ożywione układy były dużymi organicznymi cząsteczkami
zdolnymi do reprodukcji. Biorąc pod uwagę, że proces reprodukcji wymaga dostaw
różnorodnych cząsteczek, zakładał, że pierwotny ocean był ich pełen, że stanowił
 rozległe laboratorium chemiczne produkujące wymagane materiały. Twierdził, że
nie ma możliwości aby ocenić, jak długo te, na wpół ożywione, obiekty pozostawały
4
w prymitywnej fazie. Jednakże, na pewnym etapie uformował się pewien rodzaj
oleistej zawiesiny, która zawierała cząsteczki zdolne do reprodukcji, skąd następnym
krokiem było pojawienie się pierwszej komórki. Sugestia J.B.S. Haldane a, że
pośrednim etapem na drodze do pierwszego organizmu była samo-reprodukująca się
cząsteczka, zainspirowane było odkryciem wirusów. Na początku wieku, wirusy,
które są o wiele mniejsze niż bakterie, były niewykrywalne przez mikroskopy, a ich
obecność wykrywano poprzez wpływ jaki miały na komórki. Był pod szczególnym
wrażeniem odkrycia bakteriofagu, czyli wirusa, który zaraża i replikuje się wewnątrz
bakterii, dokonanego w 1917 roku przez Félixa D Hérelle. Odkrycie to zainicjowaÅ‚o
debatę o tym, czy bakteriofag jest istotą żywą. Dal Haldane a istotna była zdolność
do reprodukcji w zależności od otoczenia  co stanowiło cechę poszukiwaną dla
przedstawiciela fazy przejściowej pomiędzy nieożywioną materią, a systemem
ożywionym. Wskazał na analogię pomiędzy środowiskiem komórkowym w rozwoju
wirusa, a  prebiotyczną zupą jako środowisku odżywczym dla powstającego życia.
Haldane zasugerował, że życie mogło pozostać w fazie wirusowej przez miliony lat
zanim doszło do powstania podstawowych jednostek, które utworzyły pierwszą
komórkę. Pomimo położenia nacisku na aspekt reprodukcji jako najistotniejszy dla
pierwszego układu na drodze do życia organicznego, Haldane podkreślał, że jest to
atrybut charakterystyczny dla  pół-żyjącego układu przejściowego. Prawdziwie
ożywiony system musi korzystać na równi z każdej swojej zdolności.
Paradygmaty w abiogenezie  Modele genezy życia można pogrupować
według dwóch różnych paradygmatów:  najpierw metabolizm oraz  najpierw
replikacja . Koncepcję powstania życia opartą o paradygmat  najpierw replikacja
zaproponował J.B.S. Haldane w 1929 roku. W koncepcji tej początek życia związany
jest z możliwościami replikacji układów zbliżonych do wirusów, ale znacznie od nich
prymitywniejszych. W tym paradygmacie, kluczowe jest wyłonienie się takiej
cząsteczki, która posiada mechanizm kodowania genetycznego i potrafi się
replikować. Poprzez powielanie się i wzrost, tworzy formę fizycznej osłony dla
przyszłej prakomórki, w postaci jakiejś formy tłuszczowej powłoki, a następnie
wytwarza metabolizm. Alexander Oparin, z kolei, przyjął, że pierwsze żywe systemy
pojawiły się wraz z ewolucją prymitywnych mikroskopijnych agregatów zwanych
koacerwatami, które posiadają metabolizm. W ten sposób powstał paradygmat
 najpierw metabolizm , kładący główny nacisk na to, w jaki sposób w warunkach
pierwotnej Ziemi powstała sieć autokatalitycznych reakcji. Reakcje te ewoluując,
5
doprowadziły najpierw do wytworzenia formy fizycznej osłony dla przyszłej
prakomórki, a na dalszym etapie stworzyły warunki do pojawienia się mechanizmu
dziedziczenia cech. Założenie, że istniały w tym samym czasie obok siebie dwie
organizacje, gdzie jedna potrafiła się replikować, a druga wykazywała metabolizm i w
jakiś sposób połączyły się one, zostało odrzucone jako wysoce nieprawdopodobne
nie tylko ze względu na szansę zaistnienia takiej sytuacji, ale ze względu na
niemożność tworzenia w ten sposób systemu, który byłby tak trwały jak komórka.
Eksperyment Ureya-Millera  W 1953 roku, nastąpiło przełomowe odkrycie
bezpośrednio powiązane z abiogenezą. Student Stanley Lloyd Miller pod kierunkiem
swojego profesora Harolda Claytona Ureya, przeprowadził dość prosty eksperyment.
Celem Urey-a było ilościowe zbadanie właściwości domniemanej pierwotnej
atmosfery, aby odnalez
ć odpowiedzi na trzy pytanie: o syntezę składu chemicznego
organizmów żywych, o ewolucję szlaków złożonych reakcji chemicznych, o dynamikę
cechującą żywe organizmy oraz o dostępne z
ródła energii konieczne do
podtrzymania głównych chemicznych reakcji pierwotnych  ożywionych bytów.
Zgodnie z jego obliczeniami, pierwotna atmosfera zawierała metan, amoniak, wodór
oraz wodę. Bazując na tych założeniach, polecił swojemu studentowi Stanleyowi
Millerowi, przeprowadzić eksperyment symulujący syntezę związków organicznych w
takiej atmosferze. System został przygotowany i przetestowany przez Millera w 1953
roku. Składał się z dużej probówki, która służyła za komorę reakcji oraz probówki
pomocniczej. Po kilku dniach ciągłego aplikowania wyładowań elektrycznych o
napięciu 60,000 V, roztwór stał się ciemniejszy. Analiza chemiczna po około tygodniu
wykazała, że pojawił się tlenek węgla oraz azot. Zużyta została większość amoniaku i
pozostało niewiele metanu. Otrzymano zestaw podstawowych aminokwasów
oraz inne związki organiczne. Produkty eksperymentu zostały przeanalizowane i
odkryto, że zawierają więcej niż osiem różnych aminokwasów, z których wszystkie są
pośród podstawowych budulców dzisiejszych organizmów. Podobne eksperymenty
były w stanie zademonstrować syntezę ATP i innych małych protein w całkowicie
abiotycznych warunkach tego typu. Wykryto między innymi glicynę i alaninę, a także
kwasy glikolowy, bursztynowy, asparaginowy, glutarowy czy mrówkowy, stanowiące
ważne substraty w reakcjach biosyntetycznych. Oznacza to, że w wyniku tego
eksperymentu, z mieszaniny nieorganicznych składników, powstały związki
organiczne będące podstawowymi składnikami żywego organizmu. Wynik ten
wpłynął na gwałtowny rozwój badań, ale pojawiło się dużo problemów ze
6
sprecyzowaniem, co dokładnie dzieje się z otrzymanymi aminokwasami w
pierwotnym oceanie.
Odkrycie struktury DNA  Każda komórka (z kilkoma rzadkimi wyjątkami)
zawiera oba kwasy nukleinowe, które są do siebie podobne co do składu i niektórych
właściwości. Kwasy nukleinowe są polimerami, których monomeryczne podjednostki,
nazwane nukleotydami, są połączone ze sobą, tworząc długie łańcuchy. Każdy
nukleotyd ma trzy chemiczne komponenty: zasadÄ™ zawierajÄ…cÄ… azot, czÄ…steczkÄ™
cukru oraz grupę fosforową. Każdy kwas nukleinowy jest scharakteryzowany według
specyficznej sekwencji zasad. Istnieją cztery różne zasady zawierające azot w
nukleotydach DNA: adenina, tymina, cytozyna i guanina. W RNA tymina zastÄ…piona
jest uracylem. W DNA cukrem jest deoksyryboza, w RNA  ryboza. Jednym z
najważniejszych osiągnięć, jakie wpłynęły na akceptację hipotezy  prebiotycznego
bulionu i nauki przyrodnicze w ogóle, było odkrycie struktury DNA przez Jamesa
Dewey a Watsona i Francisa Harry ego Comptona Cricka w 1953 roku. Wykazanie,
że wszelkie żywe istoty na naszej planecie łączy posiadanie kodu
genetycznego, dało najważniejszy asumpt na polu badań abiogenezy. Rozpoczęły
się poszukiwania pierwszego wspólnego przodka życia na Ziemi, który posiadałby
możliwość kodowania białek za pomocą łańcucha nukleotydów.
Odkrycie kodu DNA ustanowiło także nową dyscyplinę naukową  biologię
molekularną. Umożliwiło to zrozumienie, w jaki sposób kwasy nukleinowe
funkcjonują jako materiał dziedziczny, odpowiedzialny za transfer informacji z
komórki do komórki i z generacji na generację. Do tej pory nie wiedziano w jaki
sposób informacja, którą przenoszą kwasy nukleinowe kieruje budową komponentów
komórki.
Watson i Crick odkryli sposób w jaki obie nici są ułożone i zaproponowali
przestrzenną strukturę cząsteczki DNA. Strukturą jest dwuniciowa helisa, złożona
z dwu oplatających nici, ułożonych tak, że cukrowo-fosforanowy rdzeń leży na
zewnątrz, a zasady znajdują się we wnętrzu helisy. Najważniejszą cechą struktury
jest specyficzność parowania zasad poprzez wiązania wodorowe: adenina tworzy
parę z tyminą (A-T), a guanina z cytozyną (G-C). Istotna rola słabych wiązań
wodorowych  łatwo je zerwać, ale kiedy jest ich wiele zapewniają trwałość struktury.
Dwie kluczowe cechy: po pierwsze, struktura jest kompatybilna z każdą sekwencją
zasad, po drugie sekwencja wzdłuż jednej nici determinuje całkowicie sekwencję
drugiej nici, co stanowi podstawÄ™ mechanizmu kopiowania czÄ…steczki. Struktura
7
przestrzenna DNA bardzo dobrze ilustruje ścisłe powiązanie między molekularną
formÄ… czÄ…steczki, a jej funkcjÄ….
Model Sidneya Foxa  Amerykański biochemik S. Fox w 1970 roku
zaproponował model powstania życia opierający się o wiodącą rolę białek, tak jak
scenariusz Oparina, ale opisany językiem współczesnej chemii, uwzględniający
następujące etapy: 1) spontaniczne wytwarzanie aminokwasów ze związków
nieorganicznych tworzących pierwotną atmosferę pod wpływem wysokich temperatur
jako z
ródła energii; 2) kondensację aminokwasów przy użyciu ciepła jako z
ródła
energii (podgrzewaÅ‚ aminokwasy w temp. 150-170°C przez kilka godzin), do formy
polimerów przypominających białka, nazwanych  proteinodami ; 3) tworzenia się z
roztworu protenoidów pod wpływem określonych warunków fizykochemicznych,
podobnych do komórek (po ich zmieszaniu z morską wodą, podniesieniu temp.
Ponad 100°C i oziÄ™bieniu), przy pH równym 3 do 7 wydzieliÅ‚y siÄ™ kuliste struktury,
które S. Fox nazwał  mikrosferami . Eksperymenty S. Foxa wykazały, że w wysokiej
temperaturze mogło nastąpić łączenie się aminokwasów w łańcuchy białkowe. Białek
mogło być o wiele więcej niż obecnie znamy i które występują w substancjach
organicznych. Mikrosfery miały zdolność do powiększania się i rozmnażania przez
podział, jak koacerwaty. Koacerwaty nie mogły się jednak rozmnażać. Fox był
kontynuatorem myśli Oparina, że to właśnie białka są w stanie utworzyć pierwszy
żywy układ. W latach 60, po odkryciu struktury DNA i kodu genetycznego, zaczęto
odchodzić od koncepcji bazujących w oparciu o białka. Ewolucjonizm wymaga
mechanizmu niedokładnego dziedziczenia, takiego, które umożliwia na małe mutacje
różniące byty potomne od bytów rodzicielskich. Jedyny system zdolny do tego to
system oparty o kwasy nukleinowe. Mechanizm podziału zaproponowany przez
Oparina i Foxa pozwala jedynie na bardzo ograniczone dziedziczenie cech i nie
umożliwia pojawienia się wariacji. Krytyce został poddany również biologiczny
charakter koacerwatów czy mikrosfer. Wskazano, że morfologiczne podobieństwo do
struktur komórkowych jest jedynie zewnętrzne. Mikrosfery powstają poprzez
działanie sił czysto fizyczny, a ich wzrost bazujący na absorbowaniu materiału z
otoczenia jest całkowicie odmienny od wzrostu biologicznego. Dodatkowo, sferyczne
kropelki powstajÄ… w bardzo specyficznych warunkach fizycznych i majÄ… tendencjÄ™ do
szybkiego rozpadania siÄ™.
8
Paradoks jajka i kury  Każda żywa komórka utworzona jest z kilku rodzajów
makrocząsteczek, uwzględniając kwasy nukleinowe i białka. Kwasy nukleinowe
przechowują oraz przekazują informację genetyczną, podczas, gdy białka wykonują
katalizują reakcje chemiczne, determinujące funkcjonowanie całej komórki. Synteza
biologiczna oraz aktywność kwasów nukleinowych oraz białek jest całkowicie od
siebie uzależniona: synteza białek jest kierowana informacją zawartą w kwasach
nukleinowych poprzez specyficzne sekwencje zasad, natomiast kwasy nukleinowe
są syntezowane, replikowane, transkrybowane oraz podlegają translacji na białka
jedynie przy udziale zdolności katalitycznych enzymów. Białka oraz kwasy
nukleinowe są bardzo złożonymi cząsteczkami, co czyni niemożliwym ich
jednoczesną syntezę na pierwotnej Ziemi. Wracamy do kwestii rozstrzygnięcia sporu
pomiędzy zwolennikami opcji:  najpierw metabolizm czy  najpierw replikacja . Spór
prowadzi bezpośrednio do tzw.: paradoksu  jajka i kury . Paradoks ten polega w
skrócie na tym, że białko w jednym podejściu (metabolizm najpierw) nie posiada
swoich nadzwyczajnych cech bez udziału kwasów nukleinowych, a te z kolei, w
drugim podejściu (replikacja najpierw) nie są w stanie pełnić swoich funkcji bez
enzymatycznej roli białek. Na tym etapie badań, wskazanie, w jaki sposób dochodzi
do utworzenia pierwszego żywego układu, uwzględniającego możliwości kodowania
informacji genetycznej przez łańcuchy nukleotydowe oraz zwartość i zdolność do
budowania dużych struktur reprezentowane przez  woły robocze organizmu, czyli
białka, stanowi zagadkę.
Teoria hipercyklu Manfreda Eigena  W opozycji do teorii białek (Oparin-
Fox), poszukiwać rozpoczęto pojedynczego, pierwszego genu, którego pojawienie
się zakładano w wyniku losowego połączenia się obecnego w  prebiotycznym
bulionie , budulca. Uważano wtedy, że wskutek ekstremalnie długiego okresu
czasu, nawet wysoce nieprawdopodobne zdarzenia mogą mieć miejsce. Eigen
posługuje się w swej pracy metodami i pojęciami teorii informacji, teorii systemów
oraz termodynamiki procesów nierównowagowych. Eigen twierdzi, że jego model
umożliwia odpowiedz
na pytanie: w jaki sposób doszło do powstania informacji
genetycznej na pierwotnej Ziemi? Jego odpowiedz
jest optymistycznÄ… spekulacjÄ….
Zakłada bowiem, że pierwotny bulion był na tyle bogatym w składniki środowiskiem,
że zapewniał stan daleki od równowagi termodynamicznej, a pierwsze samo-
replikujące się sekwencje RNA pojawiły się na wzór błyskawicznie
rozprzestrzeniających się wirusów.
9
Granica błędu Eigena. Kolejnym pytaniem w modelu Eigena było: w jaki sposób
sekwencje RNA mogą pomieścić wystarczającą ilość informacji nie tylko dla swojej
własnej replikacji, ale dla tworzenia się łańcuchów białkowych. Można to osiągnąć
poprzez wydłużenie ich łańcucha, ale łamie to wtedy konieczny warunek dla
systemu. Nie jest to jedynie teoretyczny zamysł  bez pomocniczej roli enzymów,
podczas kopiowania informacji powstaje zbyt wiele błędów. Dopóki łańcuchy są
stosunkowo krótkie, błędy nie kumulują się w każdej sekwencji. Akumulacja zbyt
wielkiej ilości błędów mogłaby doprowadzić do zniszczenia oryginalnej informacji.
Eigen obliczył granicę błędu, która określa maksymalną długość łańcucha, która
pod wpływem określonych mutacji, nadal będzie pozwalać na zachowanie
oryginalnej informacji. W warunkach prebiotycznych granica ta wynosić będzie
najprawdopodobniej 100 nukleotydów. Niestety, synteza białek wymaga dłuższej
sekwencji RNA,a dłuższa sekwencja RNA wymaga białek, czyli replikującego
enzymu. Sprowadza się do twierdzenia: dłuższe RNA nie może powstać bez białek,
białka nie mogą powstać bez dłuższego RNA.
Hipercykl. Aby wyjść z impasu, potrzeba współdziałania pomiędzy krótkimi
odcinkami RNA w celu osiągnięcia połączonej informacji przenoszonej przez
pojedynczą nić RNA bez łamania granicy błędu. Eigen zaproponował pojawienie się
złożonego cyklu, w którym uczestniczy kilka jednostek, z których każda poprzednia
umożliwia replikację następnej zakładając, że każda jednostka była zdolna do
wyprodukowania krótkiego białka działającego jako słaby enzym replikujący. Stąd,
cykl napędza się i kończy się, kiedy ostatnia jednostka katalizuje replikację pierwszej.
Taką organizację nazwał Eigen hipercyklem. Aby cykl działał, jednostki muszą być
bardzo blisko siebie  pojawia się kontrowersyjna kwestia oddzielenia od środowiska.
10
Hipoteza  świata RNA  Za sformułowanie hipotezy odpowiedzialni są trzej
badacze, którzy niezależnie od siebie w póz
nych latach sześćdziesiątych wysunęli
postulat o RNA jako czÄ…steczki o kapitalnym znaczeniu we wczesnych etapach
powstaniu życia na Ziemi. Badaczami tymi byli: Carl Woese (1928-2012), autor
koncepcji drzewa filogenetycznego, jako pierwszy zaproponował taki scenariusz w w
1967 roku, Francis Crick (1916-2004) oraz Leslie Orgel (1927-2007). Termin  świat
RNA ukuł w 1986 roku Walter Gilbert. W hipotezie  świata RNA przyjmuje się, że na
wczesnym etapie rozwoju życia na pierwotnej Ziemi, pojawiły się cząsteczki RNA,
które posiadały zarówno charakterystyczną dla kwasów nukleinowych zdolność
przenoszenia i kopiowania informacji genetycznej, ale również zdolności
enzymatyczne, będące specyficzne dla białek, co kwalifikuje je do miana pierwszych
systemów obdarzonych życiem na Ziemi. Fundamentalne z perspektywy ewolucji jest
replikowanie uporzÄ…dkowanej w sekwencje informacji genetycznej, a nie jedynie
reprodukcja. Hipoteza  świata RNA jest oczywiście ściśle powiązana z hipotezą
 pierwotnego bulionu . Ponieważ, dzięki eksperymentowi Stanleya-Millera odkryto
cztery zasady tworzÄ…ce RNA (adenina, guanina, cytozyna oraz uracyl), a nie
uzyskano tyminy, stąd niemożliwa jest synteza DNA.
Pomimo wielu interpretacji jakich przez te lata doczekała się hipoteza, charakteryzuje
się ona trzema podstawowymi, wspólnymi dla wszystkich jej wersji, założeniami:
1) w pewnym momencie historii ewolucji życia, cząsteczki RNA przenosiły
informacjÄ™ genetycznÄ…
2) replikacja cząsteczek RNA jest oparta na zasadach komplementarności
odkrytych przez Watsona-Cricka
3) białka nie odgrywały roli katalizatorów w  świecie RNA
RNA. Cząsteczka kwasu rybonukleinowego pośredniczy w przekazaniu informacji
genetycznej z DNA, która służy do kodowania białka w rybosomach komórki. Za cały
proces odpowiedzialny jest skomplikowany mechanizm, przy omawianiu którego
istotne jest zrozumienie czym jest tzw.:  kodon . Kodon to podstawowa jednostka
kodu genetycznego, mająca na celu określenie pojedynczego aminokwasu w
łańcuchu polipeptydowym. Kodon jest układem trzech sąsiadujących ze sobą
nukleotydów. Dzięki różnym układom cztery zasad, kod trójkowy może odpowiadać
dwudziestu znanym nam aminokwasom. Tak zatem mamy 64 możliwe kodony, z
czego 61 służy kodowaniu, pozostałe 3 stanowią znaki stop dla całej maszynerii.
11
Tylko dwa aminokwasy (tryptofan, metionina) sÄ… kodowane przez jeden kodon,
pozostałe mogą być wprowadzane przez kilka.
Odkrycie rybozymu - W 1966 roku Crick (w 1967 Woese, a w 1968 także Orgel)
wysunął hipotezę, że tRNA może mieć właściwości enzymatyczne a także niezależne
właściwości replikacyjne. Zręby hipotezy powstały zatem wcześniej, lecz, rzeczywiste
własności katalityczne RNA były w tych latach jeszcze nieodkryte. Między rokiem
1981 a 1986 Thomas Cech oraz Sidney Altman, niezależnie od siebie, wykryli, że
RNA może katalizować co najmniej dwie reakcje metaboliczne. W ten sposób
odkryte zostają rybozymy czyli cząsteczki RNA o własnościach enzymów.
Przełom w badaniach następuje wraz z odkryciem w 1981 roku  rybozymu 
łańcucha RNA, który potrafi dokonać autoreplikacji. Nazwa  rybozym pochodzi od
połączenia słów: rybosom i enzym, a oznacza cząsteczkę RNA o własnościach
katalitycznych. Rybozymy odkryte przez Thomasa Cecha i Sidneya Altmana
katalizują wycinanie i łączenie fragmentów RNA. Choć funkcje te stanowią mniej
zaawansowany mechanizm niż ten, z którym mamy do czynienia podczas replikacji
RNA i syntezie protein, odkrycie rybozymów wzmocniło hipotezę  świata RNA .
Unikalna aktywność katalityczna tej cząsteczki stanowi sposób na przełamanie
paradoksu  jajka i kury . Białka przestały być jedynymi cząsteczkami
enzymatycznymi. Sam w sobie rybozym pełni  oryginalne funkcje, jako doskonały
sposób na zapis informacji genetycznej, a w formie rybozymu potrafi do kopiowania
wzorca genetycznego wykorzystywać nie tylko samego siebie, ale łańcuchy
nukleotydowe w swoim otoczeniu. Dzięki pojawieniu się rybozymu, możliwym staje
się zrozumienie, w jaki sposób ewolucja mogła wytworzyć coraz bardziej efektywne
samo-replikujące się układy. Warto jednak zaznaczyć, że przejście do syntezy
kodowanych protein wciąż sprawia wiele teoretycznych trudności. katalityczne
zdolności pierwszych rybozymów nie były imponujące  ograniczały się do cięcia i
łączenia już istniejącego RNA. W wyniku dalszych badań, zakres zdolności
katalitycznych rósł, uwzględniając łączenia razem oligonukleotydów, a także
pozyskiwania energii z reakcji z grupami trójfosforanów. Rybozymy mogły także brać
udział w utworzeniu rybosomów.
12
Prebiotyczna Ziemia - Termin  prebiotyczna Ziemia oznacza Ziemię, na której
jeszcze nie rozwinęła się żadna forma życia. Nie zachodziły zatem reakcje
chemiczne w takim sensie w jakim znamy je dzisiaj, brak było organizmów zdolnych
do syntezy i metabolizmu złożonych związków organicznych. Jeśli zatem były tam
jakieś związki organiczne, to mogły powstać one jedynie w wyniku  prebiotycznej
syntezy . Sumę wszystkim związków organicznych, które mogły powstać w wyniku
prebiotycznej syntezy, nazywać będziemy  prebiotyczną zupą , ponieważ stanowiły
on podstawowy surowiec, z którego, na drodze prebiotycznych reakcji chemicznych,
mogły rozwinąć się pierwotne formy życia. Nasza planeta powstała, wraz z całym
układem słonecznym, z pierwszej mgławicy gwiezdnej. Na podstawie analizy
zawartości poszczególnych pierwiastków radioaktywnych wiek Ziemi i układu
słonecznego ocenia się na circa 4,5 mld lat. Ostateczny skład Ziemi miał
zasadnicze znaczenia dla jej struktury. Było wystarczająco dużo metalu aby
wytworzyć bogate w żelazo i nikiel, częściowo ciekłe jądro, co pozwala Ziemi
utrzymywać pole magnetyczne. Było wystarczająco dużo metali radioaktywnych
(takich, jak uran), aby zapewnić długookresowe dostawy radioaktywnego ciepła. To
dało Ziemi długo żyjący piec wewnętrzny, który umożliwił tworzenie płyt
tektonicznych i gór. I w końcu odpowiedni skład zapewnił możliwość utworzenia
cienkiego i lekkiego płaszcza, co umożliwiło działanie tektoniki płyt. Odpowiednią
grubość i trwałość ziemskiego jądra, płaszcza i skorupy można uzyskać jedynie
poprzez odpowiedni dobór właściwych elementów budulcowych. 4 miliardy lat temu,
500 milionów lat po początkowej kondensacji Ziemia wyglądała zupełnie inaczej niż
dzisiaj. Było tam bardzo mało lądu (niewielka ilość kontynentu albo w ogóle
żadnego), ponieważ skorupa kontynentalna była bardzo radioaktywna, gorąca i
miękka, zatem zbyt słaba aby utrzymać się ponad powierzchnią oceanu. Biorąc pod
uwagę brak znaczących lądów oraz fakt, że księżyc znajdował się dużo bliżej niż
dzisiaj, powierzchnia oceanu szybko obracającej się Ziemi była silnie mieszana przez
tornada i prądy morskie. Jakiekolwiek znajdujące się w oceanie substancje zostałyby
wyrzucone do atmosfery i utlenione w wyniku reakcji fotochemicznych. Bez
stabilizującego efektu lądów i życia stan hadeańskiej atmosfery byłby również
wysoce zmienny. Była dużo większa niż dzisiaj aktywność wulkaniczna, dużo
większa ilość głęboko umieszczonych podwodnych grzbietów, gdzie tworzyła się
nowa skorupa dna oceanów i gdzie bardzo dużą aktywność wykazywały bijące z dna
z
ródła przegrzanej wody. Wszystko to sugeruje bardzo wysokoenergetyczny,
13
wulkaniczny świat z dużą ilością wydostających się spod ziemi i przechodzących do
oceanów związków chemicznych. Chemia wody morskiej mogła być zupełnie inna od
dzisiejszej, ponieważ z powodu braku wolnego tlenu ocean był raczej redukujący o
dużo wyższej niż dzisiaj temperaturze. W atmosferze występowało 100 do 1000 razy
więcej dwutlenku węgla. Należy również pamiętać, że w tamtej, hadeańskiej epoce,
Ziemia okresowo była bombardowana ogromnymi obiektami kosmicznymi, które
powodowały odparowanie oceanów i sterylizację powierzchni planety. Podczas
pierwszych 600 mln lat w Ziemię uderzały ciała o rozmiarach 100km, które zsolne
były wysterylizować Ziemię do głębokości kilkunastu kilometrów. Zderzenie z
większymi ciałami powodowałyby wyparowanie oceanów i części skorupy ziemskiej.
Szacuje się, że w okresie 100 mln lat, takich ciężkich bombardować na Ziemię mogła
spaść ilość materii odpowiadajÄ…ca 200 tonom na m². konsekwencje dla atmosfery,
hydrosfery a nawet litosfery byłyby dewastujące. Jeśli w międzyczasie powstałaby
jakaś forma życia zostałaby zniszczona podczas uderzeń. Sugeruje się również, że
brak jakichkolwiek skał starszych niż 3,9-4,0 mld lat jest rezultatem dawnych
bombardowań, podczas których zderzenia powodowały wymieszanie fragmentów
wczesnej skorupy z płaszczem Ziemi.
Skład pierwotnej atmosfery  Ugruntowany jest pogląd, że niezbędne do syntezy
polimerów organicznych i rozwoju życia na Ziemi składniki budulcowe powstawały w
wyniku reakcji chemicznych zachodzÄ…cych w pierwotnej atmosferze. Bardzo istotnÄ…
sprawą jest ustalenie, jaki był jej skład w początkowym okresie rozwoju Ziemi.
Niestety poza tym, że w pierwotnej atmosferze nie było tlenu (i być może jego ilości
były tylko śladowe aż do 2,4 mld lat temu), skład ten nie jest dokładnie znany.
Istotnych informacji dotyczących składu atmosfery mogłyby dostarczyć próbki
zawarte w starych skałach osadowych. Pierwsze skały osadowe powstały w Issua,
Zachodnia Grenlandia, około 3,8 mld lat temu i stąd mogły pochodzić pierwsze
próbki zawierające ślady pierwotnej atmosfery, ale nie są one na tyle dobrze
zachowane, aby dostarczyć wiarygodnych informacji. Zatem warunki panujące
podczas początkowego okresu rozwoju Ziemi mogą być jedynie oszacowane,
głównie na podstawie modeli teoretycznych. Sugerowane składy atmosfery
zmieniają się od silnie redukujących (metan + amoniak + woda; tlenek węgla + azot
cząsteczkowy + woda; dwutlenek węgla + azot cząsteczkowy + wodór cząsteczkowy)
do chemicznie obojętnej ( tlenek węgla + azot cząsteczkowy + woda). Uważa się, że
atmosfera zawierałaby głównie gazy wydzielane przez wulkany lub przyniesione
14
przez meteoryty, takie, jak wodór, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, pięciotlenek
fosforu oraz azot. Jakiekolwiek zredukowane gazy, takie, jak tlenek węgla,
metan, czy siarkowodór zostałyby natychmiast utlenione przed rodniki
hydroksylowe powstajÄ…ce w wyniku fotolizy pary wodnej.
Badacze zajmujący się badaniem atmosfery preferują raczej chemicznie obojętną
lub lekko redukującą atmosferę, głównie mieszaninę dwutlenku węgla, azotu
cząsteczkowego, wody oraz mniejsze ilości tlenku węgla i cząsteczkowego wodoru.
Natomiast chemicy zajmujÄ…cy siÄ™ syntezÄ… prebiotycznÄ… preferujÄ… atmosferÄ™
redukującą, w której abiotyczna synteza aminokwasów zachodzi ze szczególną
wydajnością. Natomiast przy braku nadmiaru wodoru wydajności aminokwasów są
bardzo niskie, szczególnie, gdy z
ródłem węgla jest dwutlenek węgla.
Pojawiła się także pewna sugestia, że ilość wodoru w pierwotnej atmosferze
mogłaby być wystarczająca dla zapewnienia pożądanego przebiegu reakcji
prebiotycznych. Prymitywna Ziemia mogła być bogata w wodór, ponieważ mógł być
on uwięziony w atmosferze. Dzisiaj górne warstwy atmosfery mogą osiągać
temperatury ponad 700°C, ponieważ znajdujÄ…cy siÄ™ tam tlen atomowy absorbuje
promieniowanie Słońca. Zaabsorbowana energia jest przekazywana do wodoru,
który ucieka w przestrzeń. Ponieważ pierwotna atmosfera była bogata w dwutlenek
węgla, który mógłby odbić energię słoneczną z powrotem w przestrzeń, temperatura
atmosfery utrzymywaÅ‚aby siÄ™ poniżej 350°C, co mogÅ‚oby powstrzymać wodór od
ucieczki i zapewnić bardziej wydajną produkcję prebiotycznych związków
organicznych.
Ramy czasowe powstania życia - Ziemia powstała około 4,6 mld lat temu. Pierwszy
okres w historii Ziemi, trwający około 600 mln lat, charakteryzował się licznymi
zderzeniami z pobliskimi obiektami kosmicznymi. Częste zderzenia z obiektami o
rozmiarach circa 100km, które dostarczały wystarczająco dużo energii do sterylizacji
Ziemi na głębokość wielu kilometrów. Zderzenie z ciałem o rozmiarach 500km
spowodowałoby ogromny kataklizm. Zatem nawet jeśli w okresie tym powstało życie,
zostałoby ono zniszczone przez energię uwalnianą w wyniku zderzeń. Okres
intensywnych zderzeń zakończył się około 3,9 mld lat temu i przypuszczalnie
wówczas powstawały warunki do stabilnego rozwoju życia, aczkolwiek nawet
obecnie Ziemia jest celem różnego rodzaju ciał kosmicznych. Obiekty o rozmiarach
jednego kilometra uderzają w Ziemię średnio raz na 300 000 lat, a o rozmiarach
10km  co 100 milionów lat. Taki dziesięciokilometrowy obiekt, który
15
prawdopodobnie przyczynił się do zagłady dinozaurów 65 mln lat temu, może
spowodować powstanie krateru o głębokości dziesiątków kilometrów i średnicy
200km oraz wyrzucić wystarczająco dużo pyłów do zablokowania dopływu światła
słonecznego na całej Ziemi na wiele miesięcy. Prawdopodobnie życie pojawiło się
na Ziemi między 4,0 a 3,8 mld lat temu, czyli 0,5-0,7 mld lat po powstaniu Ziemi,
gdy zderzenia z obiektami kosmicznymi zdolnymi do odparowania oceanów i
sterylizacji życia stały się odpowiednio małe. Niestety brak jest skamielin z tego
okresu. Krystaliczne grafity z 3,8 mld lat skał z południowo-zachodniej Grenlandii
(osady z Isua Supracrustal Group), najstarsze warstwy ze znanych zapisów
geologicznych wykazują jednorodny skład wskazujący na obecność fotosyntezy.
Zatem fotosynteza, skomplikowany proces biochemiczny była obecna co najmniej
3,5 mld lat temu. Oparte na fotosyntezie życie datuje się zatem od 3,5 mld, a być
może i od 3,8 mld lat temu, jak wskazują złoża grafitu z Isua.
Przyjmując, że stabilne warunki do rozwoju życia powstały 4,0-3,8 mld lat temu,
okno czasowe do powstania życia i organizacji komórkowej wynosi mniej
więcej 200-300 mln lat. W tym okresie musiała odbyć się prebiotyczna synteza
wszystkich niezbędnych składników budulcowych, dokonać ewolucja molekularna i
gatunkowa oraz wykształcić fotosynteza.
Podstawowe pierwiastki  systemy ożywione są mniej złożone, niż by można
sądzić. Wszystkie są utworzone z zadziwiająco małej liczby składników chemicznych.
Życie to przede wszystkim cztery pierwiastki: węgiel, wodór, tlen i azot  CHON,
czasami w połączeniu z siarką i fosforem. Te cztery pierwiastki tworzą razem więcej
niż 99,9% wszystkich systemów żywych. Życie powstało z CHON, ponieważ te
pierwiastki występują w wielkiej obfitości, są one czterema najbardziej powszechnymi
we wszechświecie. Piąty z najliczniejszych pierwiastków, hel, nie wchodzi w rachubę,
gdyż jest on pierwiastkiem obojętnym, nieczynnym, doskonałym gazem do
napełniania balonów, jednak niezdolnym do łączenia się z innymi i tworzenia
złożonych związków chemicznych. CHON było pospolite u zarania życia. Co więcej,
wszystkie te pierwiastki są zdolne do wchodzenia w reakcje pomiędzy sobą i
tworzenia małych cząsteczek o silnych wiązaniach, takich, jak metan, dwutlenek
węgla i amoniak, związków, które rozpuszczają się w wodzie i mogą odgrywać
aktywną rolę w systemach żywych.
16
Podejścia badawcze w genezie życia  Opierając badania nad pierwotną formą
komórki o jej mechanizm replikacji genetycznej, stosuje się podejście nazwane top-
down. Jest to podejście biologiczne, które zakłada, że pierwszym ożywionym
układem w historii naszej planety była jakaś prymitywna forma współczesnej komórki.
Zaczyna się zatem, od  góry , czyli komórki, jako miniatury całego organizmu i
poszukuje się uproszczonych mechanizmów powielania się, różnicowania,
oddzielenia od środowiska zewnętrznego oraz reakcji chemicznych, które ją zasilają.
Podejście biologiczne determinuje także definicję tego, co żywe. W próbach jego
scharakteryzowania, nie sposób zejść do bytów mniejszych od komórki, stąd żadna z
części tworzących komórkę nie pasuje do definicji życia. Podejście alternatywne,
zwane bottom-up, bardziej odpowiada paradygmatowi metabolizm najpierw. Jest to
podejście chemiczne, w którym, budowa modelu pierwszego ożywionego układu na
Ziemi, zaczyna się od pierwiastków i prostych związków chemicznych, które mogłyby
wejść ze sobą w reakcje i rozpocząć samo-napędzające się cykle chemiczne. W
paradygmacie metabolicznym można określić kilka podstawowych i ogólnych kroków,
które rozpoczęły ewolucję życia na naszej planecie.
Freeman Dyson  hipoteza  podwójnego początku - Zainspirowany analogią
jaką zasugerował Johna von Neumann pomiędzy żywymi organizmami a
działaniem elektronicznych komputerów czy ogólnie mechanicznych automatów.
Analiza logiczna, jaką przeprowadził von Neumann, doprowadziła go do wniosku, że
życie to nie jedno, ale dwa  metabolizm i replikacja. W odniesieniu do terminologii
komputerowej, która powstała lata póz
niej  chodzi o hardware, który przetwarza
informację i software, która go zawiera. Wychodząc z założenia, że aby otrzymać
samo-replikujący się automat, potrzeba obu komponentów, ale Von Neumann
zakładał, że logicznie, hardware poprzedza software. Dysona interesuje
zastosowanie tej logicznej analizy do wyjaśnienia genezy życia.
Von Neumann twierdził, że organizm złożony wyłącznie z hardware u może istnieć i
jest w stanie podtrzymywać swój metabolizm tak długo, jak posiada pożywienie (nie
ma mowy na razie o ewolucji). Z drugiej strony, organizm, który jest tylko software m,
bez hardware u (bakteriofag jest bliski tej definicji) jedynie w sytuacji, gdy inne
 organizmy hardware owe już istnieją w środowisku, ponieważ musi on być z
konieczności pasożytem, uzależnionym od ich metabolizmu dla własnego astenia i
replikacji. Dyson założył sobie, aby skorygować pogląd często zakładany w biologii
molekularnej i badaniach nad genezą życia, że utożsamia się pochodzenie życia z
17
narodzinami replikacji. Dyson dokonuje ważnego rozdzielenia pomiędzy replikacją a
reprodukcją. Podczas gdy we współczesnych komórkach, reprodukcja komórki  jej
podział na dwie komórki potomne  uzależniona jest od replikacji jej materiału
genetycznego, te dwa procesy mogły w przeszłości przebiegać oddzielnie. W
scenariuszu Dysona, reprodukcja protokomórki poprzedza replikację cząsteczek,
która pojawia się dopiero na póz
niejszym stadium ewolucji. Dyson proponuje
hipotezę  podwójnego początku , którą określa jako połączenie teorii Oparina i
Eigena. Koncepcja Dysona jest zgodna zarówno z tezami Oparina, jak i Foxa. W
 pierwszym początku , jak to opisuje Dyson pojawiła się protokomórka  podobna
do koacerwatów Oparina  zawierająca system metaboliczny kierowany enzymami
jakiejś prymitywnej formy białek. Komórki mogły rosnąć i podlegać podziałowi,
objawiając prymitywną formę dziedziczenia i stopniowo rozwinęły bardziej
zaawansowaną formę metabolizmu. Korzystając z tego metabolizmu, pojawił się
 drugi początek w którym doszło do syntezy nukleotydów, a wtedy, gdy doszło do
utworzenia się polimeru RNA, rozpoczęła się replikacja. Dyson opisuje pojawienie się
maszynerii genetycznej wewnątrz istniejącej już jednostki metabolicznej używając
koncepcji zapożyczonych od Lynn Margulis. Margulis zaproponowała, że główna
transformacja złożoności komórkowej w ciągu ewolucji spowodowana była inwazją,
jakiej na istniejącą komórkę dokonała mała komórka bakterii, co doprowadziło do
symbiozy pomiędzy dwoma układami. Dyson proponuje, że cząsteczka RNA, która
pojawiła się w  drugim początku była właśnie takim najez
dz
cą istniejącego już
systemu metabolicznego. Na początku, działała jako  choroba pasożytnicza
wewnątrz  zainfekowanej komórki . Stopniowo, po pewnych ofiarach, zainfekowane
komórki nauczyły się tolerować pasożyta RNA, który stał się symbiontem i
ostatecznie głównym składnikiem komórki. Bazując na skomplikowanym zestawie
matematycznych założeń, Dyson pragnie pokazać, że, w pewnych warunkach, taka
populacja polimerów jest zdolna do  przeskoczenia ze swojego początkowego
nieuporzÄ…dkowanego i nieaktywnego stanu molekularnego do stanu zorganizowanej
złożoności, objawiającego się aktywnym metabolizmem. Aktywny metabolizm zostaje
osiągnięty kiedy  cykliczne tasowanie [monomerów] podtrzymuje aktywne monomery
na samo-podtrzymującym się wysokim poziomie . Kiedy już populacja jest
zaangażowana w aktywny metabolizm, może wcielać nowe monomery z otoczenia
i rosnąć. Ten wzrost, jak uważa Dyson, mógł wnieść fizyczny podział komórki. Jeśli
obie komórki potomne zawierają wystarczającą liczbę enzymów aby pozostać w
18
aktywnie zorganizowanym stanie, proces wzrostu i podziału jest kontynuowany
dopóki zewnętrzne z
ródło monomerów nie ulegnie wyczerpaniu, a niektóre z
komórek obumrą. Na tym etapie, poajwia się selekcja naturalna w postaci komórek
współzawodniczących ze sobą o przetrwanie, co jest możliwe dzięki bardziej
efektywnemu wzrostowi i podziałowi. Dyson twierdzi, że ta selekcja nie opiera się o
replikacjÄ™ czÄ…steczki genetycznej. Zgodnie z jego nieortodoksyjnÄ… definicjÄ… informacji
genetycznej, jest nią populacja enzymów zaangażowana w zintegrowany, aktywny
metabolizm. Na tym etapie, informacja o dziedziczeniu tkwi nie w
indywidualnych składnikach, ale w architekturze całego systemu.
Stuart Kaufmann: złożoność i samo-organizacja  biolog teoretyczny
Stuart Kauffman podszedł do problemu genezy życia od strony zachowania
złożonych systemów systemów manifestujących samo-organizację. Badacze
propagujący  teorię złożoności , twierdzą, że w szczególnych fizykochemicznych
warunkach wiele systemów jest w stanie dokonać spontanicznej samoorganizacji do
wyżej zorganizowanego stanu. Systemy te składają się z dużej liczby składników a
faza przejściowa z braku porządku do porządku, zależy od wewnętrznych interakcji
wśród róznych komponentów. Takie złożone systemy są termodynamicznie
otwarte: absorbują energię i materię z ich zewnętrznego otoczenia, stąd utrzymują
daleki od równowagi stan termodynamiczny. Swobodna wymiana materii i energii ze
środowiskiem jest wykorzystywana do budowy złożonej organizacji. W opozycji do
ogólnej tendencji w fizycznym wszechświecie i wewnątrz zamkniętych systemów ku
maksymalnemu braku porzÄ…dku, druga zasada termodynamiki w tych otwartych
systemach faworyzuje budowanie porzÄ…dku i organizacji. Rozumowanie to odrzuca
tradycyjny zapis, że wysoce zorganizowane systemy, w szczególności żywe
organizmy, sÄ… niekompatybilne z drugÄ… zasadÄ… termodynamiki. To, co buduje
podejście termodynamiczne w biologii, to twierdzenie, że druga zasada posiada
główną pozytywną role w ewolucji. Ustrukturyzowanie i organizacja systemów
biologicznych powstaje w wyniku budowania szlaków dla rozpraszania niezużytej
energii i materiału. Jedną z cech charakteryzujących pewne złożone systemy, takie,
jak systemy pogodowe to  deterministyczny chaos , który został szeroko
spopularyzowany przez  efekt motyla , wpływ bardzo małej zmiany klimatycznej w
jednej części globu zmienia pogodę po drugiej stronie globu. Poprzez przestrzeganie
matematycznych równań, a stąd będą zdefiniowanym jako deterministyczny
19
chaotyczny system, który jest ekstremalnie podatny na małe zmiany początkowych
warunków, przez co może przejść od względnie uporządkowanego stanu do
kompletnego nieprzewidywalnego chaosu. Kauffman w swojej teorii postuluje, że
pierwszy etap organizacji to pojawienie siÄ™ samo-reprodukujÄ…cego siÄ™ systemu
metabolicznego złożonego z współpracujących ze sobą katalitycznych
polimerów. Kluczowym konceptem jego teorii jest autokataliza. Podczas gdy samo-
replikujÄ…ca siÄ™ czÄ…steczka, taka, jak polimer RNA jest pojedynczÄ… autokatalityczna
jednostką, podwajającą się w każdym cyklu replikacyjnym, Kauffman opisuje
autokatalityczny system katalitycznych polimerów, w którym nie następuje replikacja
pojedynczej cząsteczki, lecz systemu jako całości. Kauffman zakłada, że kiedy rośnie
maksymalna długość polimerów, liczba możliwych polimerów wzrasta, a wraz z nią
jeszcze szybciej wzrasta ilość reakcji pomiędzy tymi polimerami. Wreszcie, kiedy
ilość reakcji jest wystarczająco duża w porównaniu do liczby polimerów, układ osiąga
etap, w którym synteza prawie wszystkich polimerów jest katalizowana przez
następny polimer w układzie. Na tym etapie, cały układ staje się kolektywnie
autokatalityczny. Kauffman proponuje kilka mechanizmów, które mogłyby wyjaśnić w
jaki sposób metaboliczny układ jest w stanie wytworzyć polimery mutanty oraz nowe
autokatalityczne układy. Twierdzi, że oprócz katalizowanych reakcji w układzie,
zachodzi również spontaniczne zużywanie składników, tworząc  układ cienia , w
którym powstają polimery mutanty, które w określonych warunkach mogą zostać
dodane do początkowego systemu. Aby do tego doszło, zestaw takich produktów
mutantów musi wspólnie katalizować ich własne tworzenie z siebie nawzajem i z
rdzennego układu. Kiedy to zachodzi, kolejna  metaboliczna pętla zostaje dodana
do oryginalnego układu, który staje się w tym momencie nowych układem
autokatalitycznym. Ponadto, odwołuje się do Dysonowskiego czy Oparinowskiego
z
ródła zmienności  czyli podziału otoczek, które zawierają cykle autokatalityczne.
Twierdzi, że wskutek każdego takiego podziału, otoczki potomne dziedziczą bardziej
efektywne zdolności metaboliczne, co stanowi wsparcie dla zabezpieczonych w nich
układów metabolicznych. Podobnie, jak Dyson, Kauffman uważa życie za
uzależnione od samego początku od pewnego poziomu złożoności i pragnie pokazać
tę początkową złożoność nie odwołując się do przypadku.
20
Hipoteza  świata tioestrów Christiana de Duve - Aby doszło do pojawienia się w
ewolucji życia cząsteczki RNA, potrzeba całego szeregu reakcji chemicznych, co
sugeruje istnienie, wcześniejszego w ewolucji życia, etapu, w którym dominowała
forma chemii abiotycznej. Etap, który doprowadził do powstania świata RNA, C. de
Duve nazywa  protometabolizmem , będącym zestawem reakcji chemicznych, które
wygenerowały świat RNA i podtrzymywały go przez cały czas, jaki potrzebował do
ewolucyjnego wyłonienia się produkcji enzymów białkowych, czyli metabolizmu.
Termin protometabolizm wprowadzony zostaje, aby oddzielić te reakcje i
przeciwstawić je metabolizmowi, który jest zespołem reakcji, katalizowanych przez
enzymy, podtrzymujących funkcjonowanie współczesnych organizmów żywych.
Protometabolizm kontrolował wszelkie reakcje, zanim rolę tę przejął metabolizm.
Przechodząc do szczegółów, należy w pierwszej kolejności odpowiedzieć na pytanie
o to, w jaki sposób z dostępnego na prebiotycznej Ziemi, układu pierwiastków doszło
do wyłonienia się reakcji zasilających powstanie  świata RNA . W hipotezie C. de
Duve, przejście to umożliwiły związki chemiczne, jakimi są tioestry. W celu lepszego
omówienia ich roli w rozwoju życia na Ziemi, C. de Duve dzieli historię jego
powstania na cztery okresy, cztery światy w których dominowały poszczególne coraz
bardziej złożone związki chemiczne.
W  świecie prebiotycznym , którego czas trwania przypada na ochładzanie się naszej
planety, z
ródła energii, jakimi są swobodne cząsteczki wodoru, ulegają wyczerpaniu.
Do powstania życia potrzeba zatem innych tzw.: czynników redukujących. Reakcja
redukcji w chemii organicznej oznacza wzrost zasobów elektronowych atomu węgla.
Odbywa się to przez zerwanie wiązania między tym atomem węgla a atomem
bardziej elektroujemnym (tj. takim, który w wyniku reakcji ściąga do siebie większą
ilość elektronów), albo poprzez tworzenie wiązania pomiędzy atomem węgla, a
pierwiastkiem mniej elektroujemnym, np.: wodorem. Redukcja, często oznacza
właśnie przyłączenie wodoru do cząsteczki. W  świecie prebiotycznym czynnikami
redukcyjnymi, które są w stanie zainicjować podstawowe reakcje chemiczne, są jony
uwalniane przez cząsteczki żelaza, czy też promieniowanie ultrafioletowe. W tych
sprzyjających warunkach dochodzi do syntezy aminokwasów, kwasów
karboksylowych oraz tioli. Tiole to związki organiczne będące odpowiednikami
alkoholi, charakteryzujÄ…ce siÄ™ grupÄ… tiolowÄ… (-SH) podstawionÄ… w miejsce grupy
węglowodorowej (-OH).  Świat tioestrów został zaproponowany przez C. de Duve ze
względu na przekonanie autora, że tak złożona cząsteczka jak RNA nie mogła
21
powstać z prebiotycznego materiału po prostu w wyniku przypadkowych syntez.
Musiała istnieć jakaś rozbudowana, bardzo ważna faza pośrednia.  Świat tioestrów
koncentruje się na głównej roli, jaką odgrywają reakcje syntezy kwasów
karboksylowych z tiolami. W wyniku tych reakcji dochodzi do powstania zgrupowań
cząsteczek, które C. de Duve nazywa multimerami. Jak sam autor wyjaśnia, nie
chciał używać terminu  polimery oznaczającego olbrzymie struktury homogeniczne
(jednorodne) w swej naturze, ani  oligomery , oznaczajÄ…ce niewielkie skupiska
cząsteczek, ponieważ tworzone w wyniku reakcji tioestrów zgrupowania cząsteczek
są heterogeniczne (różnorodne), a mogą być bardzo duże. Proces multimeryzacji
cząsteczek, czerpie energię z rozerwanych wiązań tioestrowych i może odbywać się
bez pomocy katalizatora, czyli jakiegoś związku chemicznego, który usprawni
przebieg reakcji. Dużą zaletą multimeryzacji, pomimo zasadniczej losowości i braku
ukierunkowania, jest wysoka selektywność produktów, czyli wąski dobór cząsteczek
jakie zostaną nią objęte. Oznacza to, że choć reakcja jest  głupia , a jej zakres
mocno ograniczony, to dobiera sobie tylko z góry określone cząsteczki i czyni to z
łatwością. Większość z reakcji multimeryzacji, nie zachodzi ponieważ nie spełnia
wymogów energetycznych lub kinetycznych, a produkty tych reakcji mogą okazać się
niestabilne lub zostać wytrącone z roztworu ze względu na swoją niską
rozpuszczalność. Pamiętać należy, że podstawowym warunkiem dla pojawienia się
nawet tej małej statystycznie możliwości kombinacji jest jakaś forma koncentracji
roztworu. Wtedy, nawet krótkie łańcuchy cząsteczek mogą dać początek reakcjom
autokatalitycznym i, w rezultacie czego, pojawieniu siÄ™ protometabolizmu.
Hipoteza  metabolizmu powierzchniowego Güntera Wächtershäusera - Å»ycie,
według GW powstało miliardy lat temu na dnie oceanów w pobliżu kominów
hydrotermalnych, a pierwsze etapy ewolucji odbywały się w zespoleniu z
powierzchnią mineralną pirytu. W rejonie wyziewów wulkanicznych mamy do
czynienia z bogactwem związków i cząsteczek, które biorą udział w reakcjach
biosyntezy lub takich, które pośrednio do nich prowadzą. W przypadku metabolizmu
powierzchniowego, fundamentalną rolę odegrają bogate złoża siarczku wodoru i
obfitość jonów żelaza. W aspekcie termodynamicznym, środowisko takie jest
układem dalekim od równowagi termodynamicznej  reakcje zachodzą tam
gwałtownie. Istnieje, zatem większa szansa, że stworzone zostaną warunki przyjazne
powstaniu życia. Najprostsze organizmy odnalezione na współczesnej Ziemi to
22
termofile, czyli organizmy, będące w stanie żyć w beztlenowych, skrajnie gorących
środowiskach. Środowiska takie, jak podaje T. Gold znajdują się w bezpośredniej
bliskoÅ›ci gorÄ…cych podmorskich wód hydrotermalnych z temperaturÄ… powyżej 45° C.
Są idealne dla pierwszych żywych organizmów także ze względu na to, że ich
podstawowe cechy nie zmieniły się od czasów pierwotnej Ziemi. Ostatnim
argumentem może być fakt, że pod powierzchnią wody ewentualne organizmy byłyby
lepiej chronione przed zniszczeniem w wyniku upadku na ZiemiÄ™, np.: meteorytu. ,
uwzględnia się trzy najważniejsze zasady, na których oparta jest omawiana
koncepcja:
"  dwuwymiarowość organizmu powierzchniowego odnosząca się do formy,
jaką przyjmuje, powstając na mineralnej płycie;
" Autotrofizm, który pozwala organizmowi powierzchniowemu wytwarzać
składniki odżywcze;
" Autokatalityczny charakter tworzÄ…cych go reakcji.
 Dwuwymiarowość odnosi się do efektu działania sił elektrostatycznych, które
wiążąc cząsteczki tworzące organizm powierzchniowy,  rozpłaszczają go , formując
monomolekularną powłokę. Każda z cząsteczek, aby wziąć udział w zachodzących
reakcjach musi poświęcić jedno swoje wiązanie na  trzymanie się powierzchni. Jeśli
warunek ten nie zostanie spełniony, cząsteczka zostanie oderwana od pirytu i
zostanie pochłonięta przez otaczającą wodę. Molekuły wchodzące w skład struktury
powierzchniowego metabolizmu są w ten sposób ograniczone w ruchu. Mogą
reagować z innymi cząsteczkami, ale zmieniając swoje położenie, poruszają się
jedynie w poziomie. Druga z wymienionych cech organizmu powierzchniowego, czyli
autotrofizm oznacza, że do pozyskania energii, nie rozkłada on znajdujących się w
otoczeniu gotowe składniki odżywcze. Organizm autotroficzny, czyli inaczej
samożywny (z greckiego autos, sam, i trophos, żywiciel), używa do pozyskiwania
energii, pobierajÄ…c z otoczenia proste substancje pokarmowe, takie, jak dwutlenek
węgla, czy wodę. Założenie o autotroficzności pierwotnego życia ma głębokie
znaczenie dla badań w abiogenezie. Stoi ono w sprzeczności z założeniami, na
jakich Aleksandr Oparin zbudował hipotezę  pierwotnego bulionu . Nie zaakceptował
on tezy, że pierwszy żywy układ mógł być układem homotroficznym, wyposażonym w
chlorofil wyłapujący dwutlenek węgla. Zasada działania fotosyntezy polega na
pobudzeniu elektronu do stanu, w którym może on być łatwiej oddany. Czynnik
23
redukujący prawdopodobny pod względem geochemicznym, jaki zidentyfikowano do
tej pory, to promieniowanie ultrafioletowe. Jest ono jednak destrukcyjne dla wielu
składników istniejącego metabolizmu. Światło widzialne jest mniej szkodliwe, ale nie
jest wystarczająco silne dla wzmocnienia nieorganicznych czynników redukcyjnych.
Uważał on, że organizmy heterotroficzne są o wiele prostsze z punktu widzenia
metabolizmu, kiedy do uzyskania energii i składników rozkładają gotowe już
istniejące w środowisku pożywienie.
W przypadku organizmu powierzchniowego, z pomocÄ… przychodzÄ… reakcje
chemiczne zachodzÄ…ce na powierzchni pirytu, zapewniajÄ…ce odpowiednie
wzmocnienie mocy redukcyjnej, stÄ…d poprawna nazwa dla organizmu
powierzchniowego to organizm chemo-autotroficzny. Ostatnia z cech, jakÄ… jest
autokatalityczność wskazuje na taką cechę zachodzących reakcji, która sprawia, że
ich własne produkty usprawniają kolejne reakcje tego samego typu. Tak, zatem, na
dnie oceanicznym, w sąsiedztwie podwodnych wulkanów, mamy do czynienia z
podstawową reakcją, od której zaczyna się istnienie organizmu powierzchniowego.
Jest to reakcja zachodząca pomiędzy kilkoma cząsteczkami siarczku żelaza i
siarczku wodoru:
FeS + H S FeS + 2 H+ + 2e-
2 2
Przeprowadzanie w kółko tej samej reakcji, prowadzi do utworzenia
samoreplikującego się cyklu. Wzrost złożoności jest konieczny, jeśli cykl ma
wytwarzać więcej energii, niż traci w wyniku gromadzenia cząsteczek pokarmowych.
Samoreplikujący się cykl cechuje zdolność do pobierania składników ze swojego
otoczenia i tworzenia z nich struktur nie tylko na swój użytek. Posiada on zdolność
do ponownego zainicjowania procesu budowania złożonych struktur z pobranych
składników. Omawiany cykl sprawia, iż dochodzi do tworzenia się pirytu (FeS ),
2
uwalniania wodoru oraz, co najważniejsze elektronów, będących pierwszym z
ródłem
energii. Powstające życie czerpie korzyści z dwóch przenikających się cech swojego
środowiska: związaniu z pirytem oraz obecności fazy wodnej. Dzięki wiązaniu
powierzchniowemu, ustanowiona zostaje, bardzo ważna zależność pomiędzy
mineralnÄ… powierzchniÄ… a produktem reakcji, oddana w podziale struktury organizmu
pionierskiego na nieorganicznÄ… podstrukturÄ™ i organicznÄ… nadstrukturÄ™. Cykl
redukcyjny tworzy powierzchniowo związany produkt katalizujący zarówno reakcje
powodujące przyrost powierzchni, na której reakcje te się dokonują, jak również
reprodukcję samego cyklu. Woda nie zagraża organizmowi powierzchniowemu przez
24
rozpuszczenie, wchodzących w jej skład związków, ale wciąż stanowi dla niej pewne
zagrożenie. Wraz z pierwiastkami stanowiącymi niezbędne dla życia składniki, woda
zawiera również pierwiastki takie, które dla młodego życia są zabójcze. Organizm
pionierski składa się z dwóch części: nieorganicznej podstruktury i organicznej
nadstruktury. Pierwsza obejmuje silnie porowatÄ… powierzchniÄ™ mineralnÄ…, co ma
istotne znaczenie dla dalszych etapów rozwoju organizmu w mikroskopijnych porach.
Druga część organizmu powstająca wskutek cyklicznego powtarzania reakcji
tworzenia pirytu, jest połączona z pierwszą wiązaniami jonowymi. Nadstruktura
będąca organicznym produktem autokatalitycznych reakcji, wykorzystujących
mineralne podłoże oraz fazę wodną jako z
ródło reagentów, tworzy warstwę o
monomolekularnej grubości nad powierzchnią oceanicznego dna. Organizm
pionierski stanowi ogół cząsteczek organicznych, które zostają związane
elektrostatycznie z nieorganicznÄ… powierzchniÄ… oraz te obszary powierzchni
mineralnej należące do nieorganicznej podstruktury. Faza wodna, stanowi
środowisko oraz z
ródÅ‚o skÅ‚adników odżywczych. W koncepcji G. Wächtershäusera,
obie części organizmu są bytami dynamicznymi, podlegającymi ciągłym zmianom.
Biologiczna charakterystyka układu ożywionego:
" Złożoność jako cecha systemów ożywionych może być scharakteryzowana
jako zdolność tych systemów do rozpoznawania pewnych prawidłowości w
strumieniu danych, które pozyskuje on od siebie samego i środowiska oraz
budowaniu na ich podstawie schematów dotyczących opisów świata,
prognozowania zdarzeń przyszłych i adekwatnego na nie reagowania;
" Homeostaza, czyli odporność na drobne zmiany środowiska, czyli
utrzymywanie stałości środowiska zewnętrznego pomimo zmian
zachodzących w środowisku zewnętrznym nosi nazwę homeostazy. Zdolność
do osiągnięcia homeostazy nazywana jest, z kolei, adaptacją. Jest ona
możliwa do osiągnięcia w organizmach żywych za pomocą systemów układów
regulacji właśnie. Regulacja układu odbywa się już w bardzo
skomplikowanych sieciach sprzężeń zwrotnych. W szlakach metabolicznych
istniejÄ… wielorakie mechanizmy regulacji realizowanych za pomocÄ… licznych
pętli sprzężeń zwrotnych. Co jednak, jeśli organizm powierzchniowy, lub
jakikolwiek inny pierwszy ożywiony układ w historii Ziemi, nie jest układem
homeostatycznym, a raczej układem homeodynamicznym? Jak przywołaliśmy,
25
układy te znajdują się na granicy gwałtownego rozpadu, są termodynamicznie
i kinetycznie niestabilne, a jednak podtrzymują własne istnienie.
" Modularność budowy; organizm biologiczny dysponuje częściami zapasowymi
na wypadek gdyby któreś zawiodły. Modularność jego budowy oznacza, że
brak sprawności jednego podsystemu nie oznacza katastrofy całego, ale nie
przeszkadza we wzajemnej komunikacji powiązanych ze sobą podsystemów.
" Z punktu widzenia termodynamiki, systemy żywe są układami otwartymi;
organizm znajduje się w stanie nierównowagowym, jest, bowiem układem
otwartym, co oznacza, że wymienia z otoczeniem nie tylko energię, ale
również cząsteczki
Hipoteza Gai Jamesa Lovelocke a; Gaja  superorganizmalny system obejmujÄ…cy
całe życie na Ziemi, hipotetycznie podtrzymuje skład powietrza i temperaturę
powierzchni planety, regulując warunki dla kontynuacji życia. Podczas, gdy
zawikłana sieć reakcji biologicznych poprzez które życie tego dokonuje wciąż jest
mało znana, fakt, że biota (wszystkie organizmy danego regionu geograficznego w
określonym czasie w dowolnym środowisku rozpatrywane niezależnie od powiązań
ekologicznych) kontroluje części powierzchni planety jest równie dobrze
ustanowiony, co fakt, że nasze ciało utrzymuje stałą temperaturę. Stąd Gaja może
utrzymywać atmosferyczny wodór i tlen, tak istotny dla życia, od rozpadu w azotany i
tlenki azotu, w sole i gaz rozweselający, który mógłby zastopować cały system. Jeżeli
nie istniałaby stała ogólna produkcja nowego tlenu przez organizmy fotosyntetyczne,
jeżeli nie byłoby uwolnienia gazowego azotu przez azotowe i amoniakowe bakterie,
doszłoby do gwałtownego rozwoju obojętnej lub trującej atmosfery. Bez uderzeń
piorunów w atmosferę, Ziemia byłaby nie mniej zamieszkała, jak kwasowa Wenus.
Na Ziemi środowisko zostało stworzone i kontrolowane przez życie, tak samo, jak
życie zostało stworzone przez środowisko, które wciąż na nie oddziałuje.
Zagadka temperatury Ziemi. Jasność Słońca wzrosła w ciągu ostatnich 4mld lat o
prawie 50%, ale badania skamieniałości wskazują, że temperatura Ziemi
pozostawała stosunkowo stabilna  oscylując wokół 22 stopni, pomimo niskich
temperatur, jakich można byłoby się spodziewać po promieniowaniu wczesnego
Słońca. Wydaje się, że nie tylko życie kontrolowało skład gazów w skali globalnej, ale
wpływało także na temperaturę. Czy był ten wielki ukryty termostat?
Lovelock zasugerował, że biota, a w szczególności bakteryjny mikrokosmos, od
swojego najwcześniejszego pojawienia się na planecie musiał regulować swoje
26
środowisko w skali całej planety. Formy życia reagują na zmienne warunki
geologiczne i kosmiczne kryzysy. Lovelock proponuje matematyczny model zwany
Daisyworld. Planeta przedstawiona w modelu pokryta jest czarnymi i białymi
stokrotkami. Stokrotki reprezentujÄ… dwa gatunki i pokrywajÄ… 70% powierzchni planety
w określonym zakresie temperatur. Oba gatunki nie rosną w ogóle w bardzo zimnym
klimacie, rosną wolno w zimnym, szybciej w ciepłym, a umierają powyżej 45 stopni.
Lovelock odkrył, że stokrotki działają, jak jeden wielki termostat dla całej planety w
wyniku wzrastania. Fenomen ten opiera siÄ™ o synergiÄ™ i jest nieoczekiwanym
wynikiem działania złożonego systemu.
Redukcjonizm w badaniach naukowych. Świat ożywiony charakteryzuje się
złożonością, przepływem oraz wielością współ-zachodzących procesów. A
atwiej jest
zrozumieć fenomeny, które chcemy zbadać, kiedy możemy je odizolować od reszty
świata i zmieniać potencjalne parametry jeden za drugim: jeśli możemy odizolować
białka i badań ich enzymatyczne interakcje bez zakłóceń w postaci wielości innych
małych i dużych cząsteczek, które je otaczają w komórce. Powód dla którego tak
robimy jest oczywisty  trudno jest ogarnąć obserwacje, jeśli wiele z cech
obserwowanego systemu zmienia siÄ™ w tym samym czasie. Metodologia
redukcjonistyczna ułatwia i umożliwia wytwarzać proste łańcuchy przyczynowo-
skutkowe. Redukcjonizm ma miejsce, gdy prawa lub terminy teorii z wyższego
poziomu ontologicznej hierarchii nauk, wyjaśnia się w pełni za pomocą praw czy
terminów nauki z niższego poziomu. Idealny projekt redukcjonistyczny dokonałby
ujednolicenia praw wszystkich nauk do praw jednej (fizyki). W naszych
rozważaniach, najbardziej precyzyjne będzie rozpatrywanie zagadnienia redukcji
biologii do chemii, stąd poziom  komórek , objaśniać będziemy prawami
obowiązującymi na poziomie  molekuł .
Redukcjonizm w biologii. Redukcjonizm jako metoda badań, rozwarstwiająca
systemy biologiczne na ich części składowe, była efektywna w wyjaśnianiu
chemicznych podstaw licznych żywych procesów. Jednakże, wielu biologów
uświadamia sobie obecnie, że podejście to osiągnęło swoje granice. Systemy
biologiczne są nadzwyczaj złożone i posiadają własności emergentne, które nie
mogą być wyjaśnione, ani nawet przewidziane przez studia nad ich poszczególnymi
częściami. Powyższa deklaracja ma kapitalne znaczenie dla badań nad obiektami z
poziomu ontologicznego biologii. Wyraża ona jednak raczej nieskuteczność
27
stosowania metody badawczej, która zaprowadziła ludzkość na obecny stopień
rozwoju technologicznego, niż postuluje obranie konkretnego programu badawczego.
Złożoność jako cecha nieredukowalna. Biologiczna złożoność nie daje się
redukować. Wyjaśniamy zjawiska z  wyższego poziomu, na przykład poziomu
organizmalnego, przez redukowanie ich do  niższego poziomu, na przykład
molekularnego. Niestety, długość wyjaśnienia opierającego się na redukcji do zjawisk
molekularnych zwiększa się w trakcie przechodzenia do bardziej ogólnych i
złożonych zjawisk. Gdy mamy do czynienia ze złożonymi procesami fizjologicznymi
albo genetycznymi, wynikajÄ…cymi z wielkiej liczby interakcji niepoddajÄ…cych siÄ™
redukcji, długość wyjaśniania przerasta nasze zdolności operacyjne, nawet
powiększane przez stosowanie komputerów. Redukcjonizm sprzyja usuwaniu
obiektu badań z jego normalnego kontekstu. Wyniki eksperymentów uzyskane w
danych wyróżnionych warunkach lub z danego konkretnego modelu  takiego, jak
mysz, kompleksy komórkowe in vitro lub modele komputerowe  są często
ekstrapolowane na bardziej złożone sytuacje lub organizmy wyższe, takie, jak ludzie.
Usunięcie danego obiektu badań i umieszczenie go w symulowanych warunkach, w
sztucznym środowisku, w najlepszym wypadku, jedynie zaburza więz
, jakÄ… ten obiekt
posiada z innymi obiektami w swoim naturalnym środowisku. Wyniki badań nad
danym obiektem w izolowanych warunkach laboratoryjnych, są skażone przyjętą z
góry teorią, której te badania mają dowieść. Strategia taka przynosiła oczekiwane
efekty, kiedy stosowana była do układów o małej złożoności. Układów, w których
arbitralne pominięcie pewnych czynników, nie decyduje o stanie analizowanego
systemu.
28