Podľa moderných predstáv sa život na Zemi začal pred viac ako 3,5 miliardami rokov. Vôbec to nebola planéta, akú poznáme dnes: horúca skalnatá guľa bez kyslíka, otrasená búrlivou činnosťou mladých sopiek, nad ktorou sa slnko a hviezdy preháňali šialenou rýchlosťou – veď deň trval len asi 6 hodín. Existuje veľké množstvo teórií o pôvode prvých foriem života a potom zložitejších – vrátane inteligentného dizajnu. Oboznámime sa so základnými vedeckými myšlienkami, ktorých pochopenie nám zároveň umožňuje predpokladať, kde a za akých podmienok môže existovať mimozemský život.

Panspermia

Panspermia (z gréckeho „zmes“ a „semeno“) je v našej dobe veľmi autoritatívna teória o výskyte života na Zemi v dôsledku prenosu „embryí života“ z iných planét. Túto hypotézu vyslovil v roku 1865 nemecký vedec G. Richter, ktorý mal na mysli prenos spór mikroorganizmov buď meteoritmi, alebo pod vplyvom ľahkého tlaku. Neskôr bolo objavené kozmické žiarenie, ktoré pôsobí na živé organizmy nemenej deštruktívne ako rozpad uránu. A teória panspermie zapadla prachom až do prvého letu na Mesiac – keď sa na pristávacej sonde Surveyor 3 našli živé mikroorganizmy zo Zeme, ktoré bezpečne prežili dlhý let vo vesmíre.

V roku 2006 bola v kometárnej látke objavená prítomnosť vody aj jednoduchých organických zlúčenín. Srandovne to znamená, že malý meteorit so svetelnou stopou, ktorý sa približuje k oveľa väčšej zemeguli planéty, je niečo ako kozmická analógia ženských a mužských reprodukčných buniek, ktoré spolu vytvárajú nový život.

Niektorí stúpenci panspermie sa domnievajú, že k výmene baktérií medzi Zemou a Marsom došlo v období, keď Červená planéta stále prekvitala a bola čiastočne pokrytá oceánmi. Navyše to nie je nevyhnutne spôsobené meteoritmi - baktérie sem možno priniesli inteligentní návštevníci (ale to je samostatná téma). Ale aj keby sa takéto udalosti v histórii odohrali, budeme nútení prísť na to, odkiaľ sa vzal život na inej planéte.

Elektrina a prvotný vývar

Slávny Miller-Ureyho experiment v roku 1953 dokázal, že elektrické iskry dokážu vytvoriť základ života – aminokyseliny a sacharózu – v prítomnosti vody, metánu, amoniaku a vodíka v atmosfére. To znamená, že obyčajný blesk mohol vytvoriť základné stavebné kamene života na starovekej Zemi, nazývané prvotná polievka. Tento termín zaviedol v roku 1924 sovietsky biológ Oparin. Podľa jeho teórie táto „polievka“ vznikla asi pred 4 miliardami rokov v plytkých nádržiach planéty pod vplyvom elektrických výbojov, kozmického žiarenia a vysokých teplôt kvapalín. Najprv v jeho zložení dominovali nukleotidy, polypeptidy, dusíkaté zásady a aminokyseliny. Potom sa v priebehu miliónov rokov v prvotnom bujóne vytvárali zložitejšie molekuly, až kým nevznikli najjednoduchšie jednobunkové organizmy, baktérie.

Hlinený život

Podľa náboženských prameňov bol Adam stvorený z prachu zeme a v Koráne a medzi niektorými národmi (napríklad Japoncami) bohovia formovali ľudí z hliny. Podľa organického chemika Alexandra Grahama Kearns-Smitha z University of Glasgow v Škótsku to nemusí byť jednoduchá alegória: prvé molekuly života mohli vzniknúť na hline. Pôvodne primitívne uhlíkové zlúčeniny nemali DNA, čo znamená, že nemohli reprodukovať svoj vlastný druh - „reprodukciu“ mohli stimulovať iba zdroje z vonkajšieho prostredia.

Takýmto zdrojom by mohla byť hlinená hornina, ktorá nie je len určitou hmotou zeme – je to organizovaný, usporiadaný sled molekúl. Hlinený povrch mohol nielen koncentrovať a spájať organické zlúčeniny, ale na mikroskopickej úrovni ich organizovať do štruktúr pôsobiacich ako genóm. Organické molekuly si časom túto sekvenciu „zapamätali“ a naučili sa organizovať sa. Následne sa stali zložitejšími: mali prototyp DNA, RNA a iných nukleových kyselín.

Život z oceánov

„Teória podvodných hydrotermálnych prieduchov“ naznačuje, že život mohol vzniknúť pri zdroji podmorských sopiek, ktoré vyvrhovali molekuly bohaté na vodík a množstvo tepla cez trhliny na dne oceánu. Tieto molekuly sa spojili na povrchu hornín, čo poskytlo minerálne katalyzátory pre nové chemické reakcie.

Takto sa zrodili baktérie, ktoré vytvorili svetoznámy geologický zázrak - stromatolity (od „stromatos“ – koberec a „litos“ – kameň). Tieto útvary prežili dodnes vo fosílnej forme. A podvodné zdroje tohto typu naďalej zohrávajú dôležitú úlohu pri udržiavaní rozmanitých morských ekosystémov v našej dobe.

Chlad je katalyzátorom evolúcie

Bez ohľadu na to, ktorý vedec má pravdu, jednoduché jednobunkové baktérie stále obývali planétu - av tejto forme existovali vždy viac ako miliardu rokov. Potom nastala neuveriteľne rýchla explózia podľa štandardov evolúcie - začali sa vyvíjať oveľa zložitejšie formy života, ktoré najprv ovládli oceány a potom pevninu, pôdu a nakoniec vzduch. Nie je to tak dávno, čo vedci dokázali prísť na to, čo bolo impulzom pre rozhodujúce zmeny. Ukázalo sa, že ide o najsilnejšiu dobu ľadovú v celej histórii Zeme, ktorá sa začala asi pred 3 miliardami rokov. Planéta bola úplne pokrytá ľadom s hrúbkou až jedného kilometra - odborníci tento jav nazvali „Zem so snehovou guľou“ (ako tie, s ktorými sa hrajú deti).

Životné podmienky najjednoduchších mikroorganizmov sa dramaticky zmenili – na druhej strane sa však odolné extrémofilné baktérie museli prispôsobiť hrúbke ľadu! Práve počas tohto „inkubačného“ obdobia prebiehalo primárne delenie baktérií podľa spôsobu ich prežitia: niektoré sa naučili získavať energiu zo slnečného žiarenia, iné čerpali silu spracovaním látok rozpustených vo vode. To znamenalo začiatok kráľovstiev živej prírody - prvé sa v budúcnosti stanú rastlinami a jednobunkovými fotosyntetickými zvieratami, druhé - mnohobunkovými zvieratami a hubami.

Jedného dňa sa však horúce sopky opäť prebudili a do atmosféry uvoľnili obrovské množstvo oxidu uhličitého, čo spôsobilo silný skleníkový efekt. Planéta sa zahriala, ľad sa roztopil a uvoľnil „zrelé“ baktérie. Proces fotosyntézy vyskytujúci sa v cyanobaktériách (modrozelených riasach) dal novú reakciu - a atmosféra bola rýchlo nasýtená kyslíkom. A úlomky minerálnych hornín, ktoré ľadovec spadol do oceánu, poskytli nové varianty chemických reakcií. To, ako sa už ukazuje, umožnilo zvieratám vyvíjať sa. Čoskoro namiesto toho, aby sa baktérie rozdelili na dve nové, začali sa deliť bez toho, aby išli „voľne plávať“ a vytvorili prvé mnohobunkové štruktúry. Príkladom sú najstaršie mnohobunkové živočíchy bez nervovej, krvnej či tráviacej sústavy – morské huby.

Podľa tejto teórie je život celkom pravdepodobný pod hrubou vrstvou ľadu na jednom z mesiacov Jupitera - v studených oceánoch Európy, ukrytých pred vesmírnymi sondami. Skupina výskumníkov z NASA tiež zistila, že pod ľadom satelitu existuje geotermálna aktivita. Preto je dosť možné, že Európa ide svojou vlastnou cestou a keď naše slnko začne starnúť a svietiť, evolúcia zvíťazí aj nad večným chladom.

Neživé hory, skaly a voda, obrovský mesiac na oblohe a neustále bombardovanie meteoritmi - najpravdepodobnejšia krajina Zeme pred 4 miliardami rokov

Vznikol život z anorganickej hmoty vo vesmíre alebo vznikol na Zemi? Tejto dileme nevyhnutne čelí výskumník, ktorý sa zaujíma o problém pôvodu života. Doposiaľ sa nikomu nepodarilo dokázať správnosť ani jednej z dvoch aktuálne existujúcich hypotéz, ani sa nepodarilo prísť s tretím riešením.

Prvá hypotéza o vzniku života na Zemi je stará, zahŕňa úctyhodné osobnosti európskej vedy: G. Helmholtz, L. Pasteur, S. Arrhenius, V. Vernadsky, F. Crick. Zložitosť živej hmoty, nízka pravdepodobnosť jej spontánneho vzniku na planéte, ako aj neúspechy experimentátorov syntetizovať živé z neživých vecí vedú vedcov do tábora prívržencov tohto prístupu. Existuje množstvo variácií o tom, ako presne sa život dostal na Zem, a najznámejšia z nich je teória panspermie. V medzihviezdnom priestore je podľa nej rozšírený život, no keďže tam nie sú podmienky na vývoj, živá hmota sa mení na spermie, čiže spóry, a tak sa pohybuje vesmírom. Pred miliardami rokov priniesli kométy spermie na Zem, kde sa vyvinulo prostredie priaznivé pre ich vývoj.

Spermie sú malé embryá, ktoré dokážu odolať veľkým teplotným zmenám, kozmickému žiareniu a iným environmentálnym faktorom deštruktívnym pre živé organizmy. Ako naznačil anglický astronóm F. Hoyle, medzihviezdne prachové častice, ktoré môžu obsahovať baktérie v grafitovom obale, sú vhodné pre úlohu spermií. Doteraz sa vo vesmíre nenašli žiadne spermie. No ak by sa aj našli, takýto úžasný objav by len posunul problém vzniku života z našej planéty na iné miesto. A nevyhli by sme sa ani otázke, odkiaľ prišli spermie na Zem a ako sa narodili. Druhá časť dilemy – ako vznikol život z anorganickej hmoty – nie je až taká romantická, keďže vychádza zo zákonov fyziky a chémie. Tento úzky, mechanistický prístup, nazývaný teória abiogenézy, zahŕňa úsilie mnohých odborníkov. Možno pre svoju špecifickosť sa tento prístup ukázal ako plodný a v priebehu polstoročia pokročil v celých odvetviach biochémie, evolučnej biológie a kozmológie.

Syntéza živej bunky je podľa vedcov za rohom, je to otázka techniky a času. Bude však bunka zrodená v skúmavke odpoveďou na otázku, ako vznikol život na Zemi? Sotva. Syntetická bunka len dokáže, že abiogenéza je nejakým spôsobom možná. Pred 4 miliardami rokov sa však na Zemi mohlo všetko stať inak. Napríklad takto. Pred 4,5 miliardami rokov sa povrch Zeme ochladil. Atmosféra bola riedka a kométy aktívne bombardovali Zem a dodávali organickú hmotu v hojnosti. Mimozemská hmota sa usadila v plytkých teplých nádržiach vyhrievaných sopkami: na dne tiekla láva, pribúdali ostrovy a vyvierali horúce pramene – fumaroly. Vtedajšie kontinenty neboli také silné a veľké ako teraz; ľahko sa pohybovali po zemskej kôre, spájali sa a rozpadali.

Mesiac bol bližšie, Zem sa otáčala rýchlejšie, dni boli kratšie, prílivové vlny boli vyššie a búrky boli silnejšie. Nad tým všetkým ležala oceľovo sfarbená obloha, zatemnená prachovými búrkami, oblakmi sopečného popola a úlomkami skál vytlačenými nárazmi meteoritu. Postupne sa vytvorila atmosféra bohatá na dusík, oxid uhličitý a vodnú paru. Množstvo skleníkových plynov spôsobilo otepľovanie klímy na celej planéte. V takýchto extrémnych podmienkach prebiehala syntéza živej hmoty. Bol to zázrak, nehoda, ktorá sa stala v rozpore s vývojom vesmíru, alebo je to jediný spôsob, ako sa môže objaviť život? Už v počiatočných štádiách sa objavila jedna z hlavných čŕt živej hmoty - prispôsobivosť podmienkam prostredia. Raná atmosféra obsahovala málo voľného kyslíka, bol nedostatok ozónu a Zem bola zaliata ultrafialovými lúčmi, ktoré boli pre živé organizmy smrteľné. Planéta by zostala neobývaná, keby bunky nevynašli mechanizmus na ochranu pred ultrafialovým žiarením. Tento scenár pre vznik života sa vo všeobecnosti nelíši od scenára, ktorý navrhol Darwin. Pribudli nové detaily – niečo sme sa naučili štúdiom starých skál a experimentovaním a niečo sme uhádli. Aj keď je tento scenár najrozumnejší, je aj najkontroverznejší. Vedci zápasia s každým bodom a ponúkajú množstvo alternatív. Od samého začiatku vznikajú pochybnosti: odkiaľ sa vzala primárna organická hmota, syntetizovala sa na Zemi alebo spadla z neba?

Revolučná myšlienka

Vedecké základy abiogenézy, čiže vzniku živých vecí z neživých vecí, položil ruský biochemik A.I. Oparin. V roku 1924, ako 30-ročný vedec, Oparin publikoval článok „Pôvod života“, ktorý podľa jeho kolegov „obsahoval zárodky intelektuálnej revolúcie“. Vydanie Oparinovej knihy v angličtine v roku 1938 sa stalo senzáciou a pritiahlo významné západné intelektuálne zdroje k problému života. V roku 1953 S. Miller, postgraduálny študent Chicagskej univerzity, uskutočnil úspešný experiment abiogénnej syntézy. V laboratórnej skúmavke vytvoril podmienky ranej Zeme a v dôsledku chemickej reakcie získal sadu aminokyselín. Oparinova teória tak začala dostávať experimentálne potvrdenie.

Oparin a kňaz

Podľa spomienok kolegov akademik A.I. Oparin bol presvedčený materialista a ateista. Potvrdzuje to jeho teória abiogenézy, ktorá, ako sa zdá, nenecháva žiadnu nádej na nadprirodzené vysvetlenie tajomstiev života. Napriek tomu k nemu názory a osobnosť vedca priťahovali ľudí úplne opačných svetonázorov. Zaoberal sa vedeckou a vzdelávacou prácou, zúčastnil sa pacifistického hnutia a veľa cestoval do zahraničia. Raz, niekde v 50. rokoch minulého storočia, Oparin prednášal v Taliansku o probléme vzniku života. Po správe mu povedali, že sa s ním nechce stretnúť nikto iný ako predseda Pápežskej akadémie vied z Vatikánu. Alexander Ivanovič, ktorý bol sovietskym mužom a dobre poznal zaujatý postoj zahraničnej inteligencie voči ZSSR, nečakal od predstaviteľa katolíckej cirkvi nič dobré, pravdepodobne nejakú provokáciu. Napriek tomu k zoznámeniu došlo. Reverend Signor podal Oparinovi ruku, poďakoval sa mu za prednášku a zvolal: „Pán profesor, teší ma, ako krásne ste odhalili Božiu prozreteľnosť!

Pravdepodobnosť života

Teória abiogenézy naznačuje, že život vznikol v určitom štádiu vývoja hmoty. Od vzniku Vesmíru a prvých častíc sa hmota vydala na cestu neustálych zmien. Najprv vznikli atómy a molekuly, potom sa objavili hviezdy a prach, z toho planéty a na planétach vznikol život. Živé veci vznikajú z neživých vecí, poslúchajúc nejaký vyšší zákon, ktorého podstata je nám stále neznáma. Život nemohol nevzniknúť na Zemi, kde boli vhodné podmienky. Samozrejme, nemožno toto metafyzické zovšeobecnenie vyvrátiť, ale semienka pochybností vyklíčili. Faktom je, že podmienky potrebné na syntézu života sú veľmi početné a často si navzájom odporujú. Napríklad neexistuje žiadny dôkaz, že raná Zem mala redukčnú atmosféru. Nie je jasné, ako genetický kód vznikol. Štruktúra živej bunky a jej funkcie sú prekvapujúce svojou komplexnosťou. Aká je všeobecná pravdepodobnosť vzniku života? Tu je niekoľko príkladov.

Proteíny sa skladajú iba z takzvaných „ľavostranných“ aminokyselín, teda asymetrických molekúl, ktoré otáčajú polarizáciu svetla prechádzajúceho cez ne doľava. Prečo sa pri stavbe proteínov používajú iba ľavotočivé aminokyseliny, nie je známe. Možno sa to stalo náhodou a niekde vo vesmíre sú živé bytosti pozostávajúce z pravotočivých aminokyselín. S najväčšou pravdepodobnosťou v prvotnom bujóne, kde prebiehala syntéza pôvodných proteínov, bolo rovnaké množstvo ľavostranných a pravotočivých aminokyselín. A iba objavenie sa skutočne živej „ľavorukej“ štruktúry narušilo túto symetriu a biogénna syntéza aminokyselín nasledovala „ľavácku“ cestu.

Výpočet, ktorý Fred Hoyle uvádza vo svojej knihe „Evolution from Space“ je pôsobivý. Pravdepodobnosť náhodného získania 2 000 bunkových enzýmov, z ktorých každý pozostáva z 200 aminokyselín, je 10 – 4 000 – absurdne malá hodnota, aj keby bol celý vesmír organickou polievkou.

Pravdepodobnosť syntézy jedného proteínu pozostávajúceho z 300 aminokyselín je jedna šanca ku 2x10 390. Opäť zanedbateľné. Znížime počet aminokyselín v bielkovine na 20, potom počet možných kombinácií syntézy takejto bielkoviny bude 1 018 – len rádovo väčší ako počet sekúnd za 4,5 miliardy rokov. Nie je ťažké vidieť, že evolúcia jednoducho nemala čas pretriediť všetky možnosti a vybrať to najlepšie. Ak vezmeme do úvahy, že aminokyseliny v proteínoch sú spojené v určitých sekvenciách, a nie náhodne, potom bude pravdepodobnosť syntézy molekuly proteínu rovnaká, ako keby opica omylom vytlačila jednu zo Shakespearových tragédií, teda takmer nulová.

Vedci vypočítali, že molekula DNA zapojená do najjednoduchšieho cyklu kódovania proteínov by mala pozostávať zo 600 nukleotidov v určitej sekvencii. Pravdepodobnosť náhodnej syntézy takejto DNA je 10 - 400, inými slovami, bude to vyžadovať 10 400 pokusov.

Nie všetci vedci s týmito výpočtami pravdepodobnosti súhlasia. Poukazujú na to, že výpočet šancí na syntézu bielkovín náhodným skúšaním kombinácií je nesprávny, pretože molekuly majú preferencie a niektoré chemické väzby sú vždy pravdepodobnejšie ako iné. Podľa austrálskeho biochemika Iana Musgravea je výpočet pravdepodobnosti abiogenézy vo všeobecnosti nezmyselný. Po prvé, tvorba polymérov z monomérov nie je náhodná, ale riadi sa zákonmi fyziky a chémie. Po druhé, je nesprávne vypočítať tvorbu moderných proteínových molekúl, DNA alebo RNA, pretože neboli súčasťou prvých živých systémov. Možno v štruktúre organizmov, ktoré dnes existujú, nezostalo nič z minulých čias. Teraz sa verí, že prvé organizmy boli veľmi jednoduché systémy krátkych molekúl, ktoré pozostávali iba z 30-40 monomérov. Život začal veľmi jednoduchými organizmami, ktorých zložitosť sa postupne zvyšovala. Príroda sa ani nepokúsila postaviť Boeing 747 hneď. Po tretie, netreba sa báť nízkej pravdepodobnosti. Jedna šanca z milióna miliónov? A čo už, môže to vypadnúť na prvý pokus.

Čo je život

Nielen filozofi sa zaoberajú hľadaním definície života. Táto definícia je potrebná, aby biochemici pochopili: čo sa stalo v skúmavke - živej alebo neživej? Paleontológovia študujú staré horniny pri hľadaní začiatku života. Exobiológovia pátrajúci po organizmoch mimozemského pôvodu. Definovať život nie je jednoduché. Slovami Veľkej sovietskej encyklopédie „prísne vedecké rozlišovanie medzi živými a neživými predmetmi naráža na určité ťažkosti“. Čo je vlastne charakteristické len pre živý organizmus? Možno súbor vonkajších znakov? Niečo biele, mäkké, hýbe sa, vydáva zvuky. Táto primitívna definícia nezahŕňa rastliny, mikróby a mnohé iné organizmy, pretože sú tiché a nehýbu sa. Život môžeme z chemického hľadiska považovať za hmotu pozostávajúcu z komplexných organických zlúčenín: aminokyselín, bielkovín, tukov. Ale potom by sa jednoduchá mechanická zmes týchto zlúčenín mala považovať za živú, čo je nesprávne. Lepšia definícia, na ktorej existuje všeobecný vedecký konsenzus, sa týka jedinečných funkcií živých systémov.

Schopnosť reprodukcie, keď sa presná kópia dedičnej informácie prenáša na potomkov, je vlastná všetkému pozemskému životu, dokonca aj jeho najmenšej častici - bunke. To je dôvod, prečo sa bunka považuje za jednotku merania života. Zložky buniek: bielkoviny, aminokyseliny, enzýmy, brané oddelene, nebudú živé. To vedie k dôležitému záveru, že úspešné experimenty so syntézou týchto látok nemožno považovať za odpoveď na otázku pôvodu života. K revolúcii v tejto oblasti dôjde až vtedy, keď bude jasné, ako celá bunka vznikla. Objaviteľom tajomstva bude nepochybne udelená Nobelova cena. Okrem reprodukčnej funkcie existuje množstvo nevyhnutných, ale nepostačujúcich vlastností systému, aby sme ho mohli nazvať živým. Živý organizmus sa dokáže adaptovať na zmeny prostredia na genetickej úrovni. To je veľmi dôležité pre prežitie. Variabilita umožnila životu prežiť na ranej Zemi prostredníctvom katastrof a ťažkých ľadových dôb.

Dôležitou vlastnosťou živého systému je katalytická aktivita, to znamená schopnosť vykonávať iba určité reakcie. Na tejto vlastnosti je založený metabolizmus – výber potrebných látok z prostredia, ich spracovanie a výroba energie potrebnej pre ďalšiu životnú činnosť. Metabolická schéma, ktorá nie je ničím iným ako algoritmom prežitia, je pevne začlenená do genetického kódu bunky a prenáša sa na potomkov prostredníctvom mechanizmu dedičnosti. Chemici poznajú mnoho systémov s katalytickou aktivitou, ktoré sa však nedokážu rozmnožovať, a preto ich nemožno považovať za živé.

Rozhodujúci experiment

Neexistuje žiadna nádej, že by jedného dňa bunka sama vznikla z atómov chemických prvkov. Toto je neuveriteľná možnosť. Jednoduchá bakteriálna bunka obsahuje stovky génov, tisíce proteínov a rôznych molekúl. Fred Hoyle vtipkoval, že bunková syntéza je rovnako neuveriteľná ako zostaviť Boeing ako hurikán prechádzajúci cez skládku súčiastok. A predsa Boeing existuje, čo znamená, že bol nejakým spôsobom „zmontovaný“, alebo skôr „samoposkladaný“. Podľa súčasných predstáv sa „samomontáž“ Boeingu začala pred 4,5 miliardami rokov, proces prebiehal postupne a predĺžil sa na miliardu rokov. Prinajmenšom pred 3,5 miliardami rokov už na Zemi existovali živé bunky.

Na syntézu živých vecí z neživých vecí musia byť v počiatočnom štádiu v atmosfére a vodných útvaroch planéty prítomné jednoduché organické a anorganické zlúčeniny: C, C 2, C 3, CH, CN, CO, CS , HCN, CH 3 CH, NH, O, OH, H 2 O, S. Stanley Miller vo svojich slávnych pokusoch o abiogénnej syntéze zmiešal vodík, metán, čpavok a vodnú paru, potom zohriatu zmes nechal prejsť elektrickými výbojmi a ochladil to. Po týždni sa v banke vytvorila hnedá tekutina obsahujúca sedem aminokyselín vrátane glycínu, alanínu a kyseliny asparágovej, ktoré sú súčasťou bunkových bielkovín. Millerov experiment ukázal, ako by mohla vzniknúť prebiologická organická hmota – látky, ktoré sa podieľajú na syntéze zložitejších zložiek buniek. Odvtedy biológovia napriek vážnym problémom považujú tento problém za vyriešený. Faktom je, že k abiogénnej syntéze aminokyselín dochádza iba za redukčných podmienok, a preto Oparin veril, že atmosféra ranej Zeme bola metánovo-amoniakálna. Geológovia však s týmto záverom nesúhlasia.

Problém ranej atmosféry

Metán a čpavok sa na Zemi vo veľkých množstvách nemajú odkiaľ vziať, tvrdia odborníci. Okrem toho sú tieto zlúčeniny veľmi nestabilné a vplyvom slnečného žiarenia sa ničia, metánovo-amoniaková atmosféra by nemohla existovať ani keby sa tieto plyny uvoľnili z útrob planéty. Podľa geológov v atmosfére Zeme pred 4,5 miliardami rokov dominoval oxid uhličitý a dusík, čo vytvára chemicky neutrálne prostredie. Svedčí o tom zloženie najstarších hornín, ktoré boli v tom čase vytavené z príkrovov. Najstaršie horniny na planéte, staré 3,9 miliardy rokov, boli objavené v Grónsku. Ide o takzvané sivé ruly – vysoko zmenené vyvreliny priemerného zloženia. Tieto horniny sa v priebehu miliónov rokov menili pod vplyvom tekutín oxidu uhličitého v plášti, ktorý súčasne nasýtil atmosféru. Za takýchto podmienok je abiogénna syntéza nemožná.

Problém ranej atmosféry Zeme sa snaží vyriešiť akademik E.M. Galimov, riaditeľ Ústavu geochémie a analytickej chémie pomenovaného po. IN AND. Vernadsky RAS. Vypočítal, že zemská kôra vznikla veľmi skoro, v prvých 50-100 miliónoch rokov po sformovaní planéty, a bola prevažne kovová. V tomto prípade by plášť skutočne mal uvoľňovať metán a amoniak v dostatočnom množstve na vytvorenie redukčných podmienok. Americkí vedci K. Sagan a K. Chaiba navrhli mechanizmus vlastnej ochrany metánovej atmosféry pred zničením. Podľa ich schémy by rozklad metánu pod vplyvom ultrafialového žiarenia mohol viesť k vytvoreniu aerosólu organických častíc v horných vrstvách atmosféry. Tieto častice absorbovali slnečné žiarenie a chránili regeneračné prostredie planéty. Je pravda, že tento mechanizmus bol vyvinutý pre Mars, ale vzťahuje sa aj na ranú Zem.

Vhodné podmienky na vznik prebiologickej organickej hmoty na Zemi dlho nevydržali. Počas nasledujúcich 200-300 miliónov rokov sa plášť začal oxidovať, čo viedlo k uvoľneniu oxidu uhličitého a zmene zloženia atmosféry. Ale v tom čase už bolo prostredie pre vznik života pripravené.

Na dne mora

Prvý život mohol vzniknúť okolo sopiek. Predstavte si na ešte stále krehkom dne oceánov početné zlomy a trhliny, vytekajúce magma a bublajúce plyny. V takýchto zónach nasýtených parami sírovodíka sa vytvárajú usadeniny sulfidov kovov: železo, zinok, meď. Čo ak by syntéza primárnej organickej hmoty prebiehala priamo na povrchu železito-sírových minerálov pomocou reakcie oxidu uhličitého a vodíka? Našťastie je v okolí veľa oboch: z magmy sa uvoľňuje oxid uhličitý a oxid uhličitý a vodík sa uvoľňuje z vody pri jej chemickej interakcii s horúcou magmou. Dochádza tiež k prílevu energie potrebnej na syntézu.

Táto hypotéza nie je v rozpore s geologickými údajmi a je založená na predpoklade, že rané organizmy žili v extrémnych podmienkach, ako sú moderné chemosyntetické baktérie. V 60. rokoch 20. storočia vedci objavili na dne Tichého oceánu podmorské sopky – čierne fajčiarky. Tam, v oblakoch jedovatých plynov, bez prístupu slnečného žiarenia a kyslíka, pri teplote +120 °, sú kolónie mikroorganizmov. Podmienky podobné čiernym fajčiarom existovali na Zemi už pred 2,5 miliardami rokov, o čom svedčia vrstvy stromatolitov – stopy aktivity modrozelených rias. Formy podobné týmto mikróbom sa nachádzajú aj medzi pozostatkami najstarších organizmov, starých 3,5 miliardy rokov.

Na potvrdenie vulkanickej hypotézy je potrebný experiment, ktorý by ukázal, že abiogénna syntéza je za týchto podmienok možná. V tomto smere pracujú skupiny biochemikov z USA, Nemecka, Anglicka a Ruska, no zatiaľ neúspešne. Povzbudivé výsledky dosiahol v roku 2003 mladý výskumník Michail Vladimirov z Laboratória evolučnej biochémie Ústavu biochémie. A.N. Bach RAS. V laboratóriu vytvoril umelý čierny fajčiar: pyritový disk (FeS 2) bol umiestnený do autoklávu naplneného soľným roztokom, ktorý slúžil ako katóda; Oxid uhličitý a elektrický prúd prechádzali systémom. O deň neskôr sa v autokláve objavila kyselina mravčia – najjednoduchšia organická hmota, ktorá sa podieľa na metabolizme živých buniek a slúži ako materiál pre abiogénnu syntézu zložitejších biologických látok.

Sinice schopné asimilovať vzdušný dusík

Lovci obývateľných planét

Obe teórie vzniku života, panspermia aj abiogenéza, pripúšťajú, že život nie je ojedinelý jav vo Vesmíre, musí existovať na iných planétach. Ako to však odhaliť? Dlho existovala len jedna metóda hľadania života, ktorá zatiaľ neprinášala pozitívne výsledky – pomocou rádiových signálov mimozemšťanov. Koncom 20. storočia vznikla nová myšlienka – pomocou ďalekohľadov hľadať planéty mimo slnečnej sústavy. Hon na exoplanéty sa začal. V roku 1995 bol zachytený prvý exemplár: planéta s polovičnou hmotnosťou ako Jupiter, rýchlo rotujúca okolo 51. hviezdy zo súhvezdia Pegasus. Výsledkom takmer 10-ročného hľadania bolo objavených 118 planetárnych systémov obsahujúcich 141 planét. Žiadny z týchto systémov nie je podobný slnečnej sústave, žiadna z planét nie je podobná Zemi. Nájdené exoplanéty sú svojou hmotnosťou blízko Jupiteru, to znamená, že sú oveľa väčšie ako Zem. Vzdialení obri nie sú vhodní pre život kvôli vlastnostiam ich obežných dráh. Niektoré z nich rotujú veľmi blízko svojej hviezdy, čo znamená, že ich povrchy sú horúce a nie je tam žiadna tekutá voda, v ktorej by sa vyvíjal život. Zostávajúce planéty - ich menšina - sa pohybujú po predĺženej eliptickej obežnej dráhe, čo dramaticky ovplyvňuje klímu: zmena ročných období tam musí byť veľmi prudká a to škodí organizmom.

Obe teórie vzniku života, panspermia aj abiogenéza, pripúšťajú, že život nie je ojedinelý jav vo Vesmíre, musí existovať na iných planétach. Ako to však odhaliť? Dlho existovala len jedna metóda hľadania života, ktorá zatiaľ neprinášala pozitívne výsledky – pomocou rádiových signálov mimozemšťanov. Koncom 20. storočia vznikla nová myšlienka – pomocou ďalekohľadov hľadať planéty mimo slnečnej sústavy. Hon na exoplanéty sa začal. V roku 1995 bol zachytený prvý exemplár: planéta s polovičnou hmotnosťou ako Jupiter, rýchlo rotujúca okolo 51. hviezdy zo súhvezdia Pegasus. Výsledkom takmer 10-ročného hľadania bolo objavených 118 planetárnych systémov obsahujúcich 141 planét. Žiadny z týchto systémov nie je podobný slnečnej sústave, žiadna z planét nie je podobná Zemi. Nájdené exoplanéty sú svojou hmotnosťou blízko Jupiteru, to znamená, že sú oveľa väčšie ako Zem. Vzdialení obri nie sú vhodní pre život kvôli vlastnostiam ich obežných dráh. Niektoré z nich rotujú veľmi blízko svojej hviezdy, čo znamená, že ich povrchy sú horúce a nie je tam žiadna tekutá voda, v ktorej by sa vyvíjal život. Zostávajúce planéty - ich menšina - sa pohybujú po predĺženej eliptickej obežnej dráhe, čo dramaticky ovplyvňuje klímu: zmena ročných období tam musí byť veľmi prudká a to škodí organizmom.

Skutočnosť, že nebol objavený ani jeden planetárny systém slnečného typu, viedla k pesimistickým vyjadreniam niektorých vedcov. Možno sú malé kamenné planéty vo vesmíre veľmi zriedkavé alebo naša Zem je vo všeobecnosti jediná svojho druhu, alebo nám jednoducho chýba presnosť meraní. Nádej však umiera posledná a astronómovia naďalej zdokonaľujú svoje metódy. Teraz sa planéty vyhľadávajú nie priamym pozorovaním, ale nepriamymi znakmi, pretože rozlíšenie ďalekohľadov nestačí. Poloha gigantov podobných Jupiteru sa teda vypočítava z gravitačnej poruchy, ktorou pôsobia na dráhy svojich hviezd. V roku 2006 Európska vesmírna agentúra vypustí satelit Korot, ktorý bude hľadať planéty s hmotnosťou Zeme znížením jasu hviezdy pri prechode cez jej disk. Satelit NASA Kepler bude od roku 2007 rovnakým spôsobom hľadať planéty. O ďalšie 2 roky NASA zorganizuje vesmírnu interferometrickú misiu – veľmi citlivú metódu detekcie malých planét podľa ich dopadu na telesá väčšej hmotnosti. Až do roku 2015 vedci vyrobia nástroje na priame pozorovanie - bude to celá flotila vesmírnych teleskopov s názvom „Hunter Planet Hunter“, schopných súčasne vyhľadávať známky života.

Keď budú objavené planéty podobné Zemi, začne sa nová éra vo vede a vedci sa na túto udalosť pripravujú už teraz. Z veľkej diaľky musíte byť schopní rozpoznať stopy života v atmosfére planéty, dokonca aj jeho najprimitívnejšie formy - baktérie alebo prvoky, mnohobunkové organizmy. Pravdepodobnosť objavenia primitívneho života vo Vesmíre je vyššia ako pri kontakte s malými zelenými človiečikmi, pretože život na Zemi existuje viac ako 4 miliardy rokov, z toho iba jedno storočie strávila rozvinutá civilizácia. Pred príchodom signálov vytvorených človekom bolo možné o našej existencii zistiť iba prítomnosť špeciálnych zlúčenín v atmosfére – biomarkerov. Hlavným biomarkerom je ozón, ktorý indikuje prítomnosť kyslíka. Vodná para indikuje prítomnosť tekutej vody. Oxid uhličitý a metán uvoľňujú niektoré druhy organizmov. Misia Darwin, ktorú európski vedci odštartujú v roku 2015, bude mať za úlohu hľadať biomarkery na vzdialených planétach. Šesť infračervených ďalekohľadov bude obiehať 1,5 milióna kilometrov od Zeme a bude skúmať niekoľko tisíc blízkych planetárnych systémov. Na základe množstva kyslíka v atmosfére je Darwinov projekt schopný určiť veľmi mladý život, starý niekoľko stoviek miliónov rokov.

Ak žiarenie atmosféry planéty obsahuje spektrálne čiary troch látok – ozónu, vodnej pary a metánu – ide o ďalší dôkaz v prospech prítomnosti života. Ďalším krokom je stanovenie jeho typu a stupňa rozvoja. Napríklad prítomnosť molekúl chlorofylu by znamenala, že na planéte sú baktérie a rastliny, ktoré využívajú fotosyntézu na výrobu energie. Vývoj ďalšej generácie biomarkerov je veľmi sľubný, ale je ešte ďaleko.

Organický zdroj

Ak by na Zemi neboli podmienky na syntézu prebiologických organických látok, potom by mohli byť vo vesmíre. Ešte v roku 1961 publikoval americký biochemik John Oro článok o kometárnom pôvode organických molekúl. Mladá Zem nechránená hustou atmosférou bola vystavená masívnemu bombardovaniu kométami, ktoré pozostávajú najmä z ľadu, ale obsahujú aj amoniak, formaldehyd, kyanovodík, kyanoacetylén, adenín a ďalšie zlúčeniny potrebné pre abiogénnu syntézu aminokyselín, nukleové a mastné kyseliny - hlavné zložky buniek. Podľa astronómov dopadlo na zemský povrch 1 021 kg kometárneho materiálu. Voda komét vytvorila oceány, kde po stovkách miliónov rokov prekvital život.

Pozorovania potvrdzujú, že kozmické telesá a oblaky medzihviezdneho prachu obsahujú jednoduchú organickú hmotu a dokonca aj aminokyseliny. Spektrálna analýza ukázala prítomnosť adenínu a purínu v chvoste kométy Haley-Bopp a pyrimidín sa našiel v Murchisonovom meteorite. Vznik týchto zlúčenín vo vesmíre nie je v rozpore so zákonmi fyziky a chémie.

Hypotéza kométy je populárna aj medzi kozmológmi, pretože vysvetľuje vznik života na Zemi po sformovaní Mesiaca. Všeobecne sa verí, že približne pred 4,5 miliardami rokov sa Zem zrazila s obrovským kozmickým telesom. Jeho povrch sa roztopil, časť látky vystrekla na obežnú dráhu, kde vytvorila malý satelit – Mesiac. Po takejto katastrofe by na planéte nemala zostať žiadna organická hmota ani voda. Odkiaľ prišli? Priniesli ich opäť kométy.

Problém polymérov

Bunkové proteíny, DNA, RNA sú všetko polyméry, veľmi dlhé molekuly, ako vlákna. Štruktúra polymérov je pomerne jednoduchá, pozostávajú z častí, ktoré sa opakujú v určitom poradí. Napríklad celulóza je najbežnejšou molekulou na svete, ktorá sa nachádza v rastlinách. Jedna molekula celulózy pozostáva z desiatok tisíc atómov uhlíka, vodíka a kyslíka, no zároveň nejde o nič iné, ako o viacnásobné opakovania kratších molekúl glukózy pospájaných dohromady ako v náhrdelníku. Proteíny sú reťazec aminokyselín. DNA a RNA sú sekvenciou nukleotidov. Navyše ide celkovo o veľmi dlhé sekvencie. Dešifrovaný ľudský genóm teda pozostáva z 3 miliárd nukleotidových párov.

V bunke sa polyméry neustále vyrábajú prostredníctvom zložitých matricových chemických reakcií. Ak chcete získať proteín, musíte odstrániť OH hydroxylovú skupinu z jednej aminokyseliny z jedného konca a atóm vodíka z druhého a až potom „prilepiť“ ďalšiu aminokyselinu. Je ľahké vidieť, že voda sa v tomto procese vytvára znova a znova. Oslobodenie od vody, dehydratácia, je veľmi starý proces, kľúč k vzniku života. Ako sa to stalo, keď neexistovala žiadna bunka s továrňou na výrobu bielkovín? Problém vzniká aj s teplým plytkým jazierkom – kolískou živých systémov. Pri polymerizácii sa totiž musí voda odstraňovať, čo je však nemožné, ak je jej naokolo veľa.

Hlinený gén

V prvotnom bujóne muselo byť niečo, čo pomohlo narodiť sa živému systému, urýchlilo proces a dodalo energiu. Anglický kryštalograf John Bernal v 50. rokoch 20. storočia navrhol, že ako takýto pomocník by mohla slúžiť obyčajná hlina, ktorá je hojne pokrytá dnom akejkoľvek vodnej plochy. Ílové minerály prispeli k tvorbe biopolymérov a vzniku mechanizmu dedičnosti. Bernalova hypotéza sa rokmi posilnila a prilákala mnoho nasledovníkov. Ukázalo sa, že častice hliny ožiarené ultrafialovou energiou uchovávajú výslednú energetickú rezervu, ktorá sa vynakladá na reakciu zostavovania biopolyméru. V prítomnosti ílu sa monoméry zostavujú do samoreprodukujúcich sa molekúl, niečo ako RNA.

Väčšina ílových minerálov má podobnú štruktúru ako polyméry. Pozostávajú z obrovského množstva vrstiev, ktoré sú navzájom spojené slabými chemickými väzbami. Takáto minerálna stuha rastie sama, každá ďalšia vrstva opakuje predchádzajúcu a niekedy sa vyskytujú defekty - mutácie, ako v skutočných génoch. Škótsky chemik A.J. Kearns-Smith tvrdil, že prvým organizmom na Zemi bol práve „ílový gén“. Organické molekuly, ktoré sa dostali medzi vrstvy ílových častíc, s nimi interagovali, prijali metódu ukladania informácií a rástli, dalo by sa povedať, naučili sa. Istý čas nerasty a protolife pokojne koexistovali, no čoskoro došlo podľa Kearns-Smitha k pretrhnutiu alebo genetickému prevzatiu, po ktorom život opustil minerálny domov a začal svoj vlastný vývoj.

Najstaršie mikróby

3,5 miliardy rokov staré čierne bridlice západnej Austrálie obsahujú pozostatky najstarších organizmov, aké boli kedy na Zemi objavené. Guľôčky a vlákna viditeľné iba pod mikroskopom patria prokaryotom - mikróbom, ktorých bunky ešte nemajú jadro a špirála DNA je uložená priamo v cytoplazme. Najstaršie fosílie objavil v roku 1993 americký paleobiológ William Schopf. Vulkanické a sedimentárne horniny komplexu Pilbara, západne od austrálskej Veľkej piesočnatej púšte, sú jedny z najstarších hornín na Zemi. Šťastnou zhodou okolností sa tieto útvary pod vplyvom silných geologických procesov až tak nezmenili a v medzivrstvách zachovali pozostatky raných tvorov.

Bolo ťažké overiť, že malé guľôčky a vlákna boli v minulosti živými organizmami. Séria malých guľôčok v skale môže byť čokoľvek: minerály, nebiologická organická hmota, optická ilúzia. Celkovo Schopf napočítal 11 typov fosílií súvisiacich s prokaryotmi. Z toho 6 sú podľa vedca sinice, čiže modrozelené riasy. Podobné druhy stále existujú na Zemi v sladkých vodách a oceánoch, v horúcich prameňoch a v blízkosti sopiek. Schopf napočítal šesť znakov, podľa ktorých treba podozrivé predmety v čiernych bridliciach považovať za živé.

Toto sú znaky:
1. Fosílie sa skladajú z organickej hmoty
2. Majú zložitú štruktúru - vlákna pozostávajú z buniek rôznych tvarov: valce, škatule, disky
3. Existuje veľa objektov - celkovo 200 fosílií zahŕňa 1 900 buniek
4. Objekty sú si navzájom podobné, ako moderní predstavitelia tej istej populácie
5. Boli to organizmy dobre prispôsobené podmienkam ranej Zeme. Žili na dne mora, pred ultrafialovým žiarením ich chránila hrubá vrstva vody a hlienu.
6. Predmety sa množili ako moderné baktérie, o čom svedčia nálezy buniek v štádiu delenia.

Objav takýchto prastarých cyanobaktérií znamená, že pred takmer 3,5 miliardami rokov existovali organizmy, ktoré spotrebovávali oxid uhličitý a produkovali kyslík, dokázali sa ukryť pred slnečným žiarením a zotaviť sa zo zranení, ako to robia moderné druhy. Biosféra sa už začala formovať. Pre vedu je to pikantný moment. Ako priznáva William Schopf, v takýchto ctihodných plemenách by najradšej našiel primitívnejšie tvory. Nález prastarej sinice totiž posúva začiatok života do obdobia, ktoré bolo navždy vymazané z geologickej histórie, je nepravdepodobné, že by ju geológovia niekedy dokázali objaviť a prečítať. Čím staršie boli horniny, tým dlhšie boli pod tlakom, teplotou a zvetrané. Okrem Západnej Austrálie je na planéte len jedno miesto s veľmi starými horninami, kde možno nájsť fosílie – na východe Južnej Afriky v kráľovstve Svazijsko. Africké horniny však prešli v priebehu miliárd rokov dramatickými zmenami a stopy dávnych organizmov sa stratili.

V súčasnosti geológovia nenašli začiatok života v horninách Zeme. Prísne vzaté, vo všeobecnosti nevedia pomenovať časový interval, kedy živé organizmy ešte neexistovali. Nedokážu vystopovať rané štádiá evolúcie živých vecí, až pred 3,5 miliardami rokov. Z veľkej časti kvôli nedostatku geologických dôkazov zostáva záhada pôvodu života nevyriešená.

Realista a surrealista

Prvá konferencia Medzinárodnej spoločnosti pre štúdium pôvodu života (ISSOL) sa konala v roku 1973 v Barcelone. Emblém pre túto konferenciu nakreslil Salvador Dalí. Tu je návod, ako to bolo. John Oro, americký biochemik, bol priateľom s umelcom. V roku 1973 sa stretli v Paríži, navečerali sa u Maxima a išli na prednášku o holografii. Po prednáške Dali nečakane pozval vedca, aby na druhý deň prišiel do jeho hotela. Oro prišiel a Dali mu podal kresbu symbolizujúcu problém chirality v živých systémoch. Dva kryštály vyrastajú z vytekajúceho bazéna v tvare obrátených presýpacích hodín, čo naznačuje konečný čas evolúcie. Naľavo sedí ženská postava, napravo muž drží motýlie krídlo a medzi kryštálmi sa stáča DNA červ. Ľavé a pravé kryštály kremeňa zobrazené na obrázku sú prevzaté z Oparinovej knihy Pôvod života na Zemi z roku 1957. Na vedcovo prekvapenie si Dali túto knihu nechal vo svojej izbe! Po konferencii sa Oparinovci vybrali na návštevu Dalího na pobrežie Katalánska. Obe celebrity umierali na chatovanie. Nasledoval dlhý rozhovor medzi realistom a surrealistom, oživovaný rečou mimiky a gest – veď Oparin hovoril len po rusky.

Svet RNA

V teórii abiogenézy vedie hľadanie pôvodu života k myšlienke systému jednoduchšieho ako bunka. Moderná bunka je mimoriadne zložitá, jej práca je založená na troch pilieroch: DNA, RNA a proteíny. DNA uchováva dedičné informácie, proteíny vykonávajú chemické reakcie podľa schémy vloženej do DNA a RNA prenáša informácie z DNA do proteínov. Čo možno zahrnúť do zjednodušeného systému? Jedna zo zložiek bunky, ktorá sa môže minimálne reprodukovať a regulovať metabolizmus.

Pátranie po najstaršej molekule, s ktorou sa vlastne začal život, trvá už takmer storočie. Rovnako ako geológovia rekonštruujú históriu Zeme z vrstiev hornín, biológovia objavujú vývoj života zo štruktúry bunky. Séria objavov v 20. storočí viedla k hypotéze spontánne generovaného génu, ktorý sa stal predchodcom života. Je prirodzené myslieť si, že takýmto prvým génom by mohla byť molekula DNA, pretože v nej uchováva informácie o jej štruktúre a zmenách. Postupne sa zistilo, že samotná DNA nedokáže prenášať informácie ďalším generáciám, na to potrebuje pomocníkov – RNA a proteíny. Keď boli v druhej polovici 20. storočia objavené nové vlastnosti RNA, ukázalo sa, že táto molekula je vhodnejšia pre hlavnú úlohu v hre o vzniku života.

Molekula RNA má jednoduchšiu štruktúru ako DNA. Je kratší a pozostáva z jedného vlákna. Táto molekula môže slúžiť ako katalyzátor, to znamená vykonávať selektívne chemické reakcie, napríklad spájať aminokyseliny navzájom, a najmä vykonávať svoju vlastnú replikáciu, to znamená reprodukciu. Ako je známe, selektívna katalytická aktivita je jednou z hlavných vlastností živých systémov. V moderných bunkách plnia túto funkciu iba proteíny. Možno na nich táto schopnosť časom prešla a kedysi to robila RNA.

Aby vedci zistili, čoho je ešte schopná RNA, začali ju umelo pestovať. V roztoku nasýtenom molekulami RNA vrie jeho vlastný život. Obyvatelia si vymieňajú časti a reprodukujú sa, to znamená, že informácie sa prenášajú na potomkov. Spontánny výber molekúl v takejto kolónii pripomína prirodzený výber, čo znamená, že môže byť kontrolovaný. Tak ako chovatelia pestujú nové plemená zvierat, začali pestovať aj RNA so špecifikovanými vlastnosťami. Napríklad molekuly, ktoré pomáhajú spájať nukleotidy do dlhých reťazcov; molekuly odolné voči vysokým teplotám a pod.

Kolónie molekúl v Petriho miskách sú svetom RNA, len umelým. Prirodzený svet RNA mohol vzniknúť pred 4 miliardami rokov v teplých kalužiach a plytkých jazerách, kde sa molekuly spontánne množili. Postupne sa molekuly začali zhromažďovať v spoločenstvách a súťažiť medzi sebou o miesto na slnku, prežijú tí najschopnejší. Je pravda, že prenos informácií v takýchto kolóniách prebieha nepresne a novozískané vlastnosti jednotlivca „jednotlivca“ sa môžu stratiť, ale tento nedostatok je pokrytý veľkým počtom kombinácií. Výber RNA prebiehal veľmi rýchlo a bunka mohla vzniknúť za pol miliardy rokov. Svet RNA, ktorý dal podnet na vznik života, nezmizol; naďalej existuje vo všetkých organizmoch na Zemi.

Svet RNA je takmer živý, k jeho úplnému oživeniu zostáva už len jeden krok – vytvoriť bunku. Bunka je oddelená od prostredia silnou membránou, čo znamená, že ďalším stupňom evolúcie sveta RNA je uzavretie kolónií, kde sú molekuly navzájom príbuzné, do tukovej membrány. Takáto protobunka mohla vzniknúť náhodou, ale aby sa z nej stala plnohodnotná živá bunka, membrána sa musela reprodukovať z generácie na generáciu. Pomocou umelého výberu sa môže RNA, ktorá je zodpovedná za rast membrán, rozmnožiť do kolónií, ale stalo sa to skutočne? Autori experimentov z Massachusetts Institute of Technology v USA zdôrazňujú, že výsledky získané v laboratóriu sa nemusia nutne podobať skutočnému zostaveniu živej bunky a môžu byť úplne ďaleko od pravdy. Vytvoriť živú bunku v skúmavke sa však zatiaľ nepodarilo. Svet RNA úplne neodhalil svoje tajomstvá.

Život sa na našej planéte objavil asi pol miliardy rokov po vzniku Zeme, teda asi pred 4 miliardami rokov: vtedy vznikol prvý spoločný predok všetkých živých bytostí. Išlo o jednu bunku, ktorej genetický kód obsahoval niekoľko stoviek génov. Táto bunka mala všetko potrebné pre život a ďalší vývoj: mechanizmy zodpovedné za syntézu bielkovín, reprodukciu dedičnej informácie a produkciu ribonukleovej kyseliny (RNA), ktorá je zodpovedná aj za kódovanie genetických údajov.

Vedci pochopili, že prvý spoločný predok všetkých živých bytostí vzišiel z takzvanej prvotnej polievky – aminokyselín, ktoré vznikli zo zlúčenín vody s chemickými prvkami, ktoré napĺňali nádrže mladej Zeme.

Možnosť tvorby aminokyselín zo zmesi chemických prvkov bola preukázaná ako výsledok Miller-Ureyho experimentu, o ktorom Gazeta.Ru informovala pred niekoľkými rokmi. Stanley Miller počas experimentu simuloval v skúmavkách atmosférické podmienky Zeme asi pred 4 miliardami rokov, naplnil ich zmesou plynov – metánu, amoniaku, uhlíka a oxidu uhoľnatého – pridal vodu a cez skúmavky prepustil elektrický prúd. , ktorý mal vyvolať efekt výbojov blesku.

V dôsledku vzájomného pôsobenia chemikálií Miller získal v skúmavkách päť aminokyselín – základných stavebných kameňov všetkých bielkovín.

O polstoročie neskôr, v roku 2008, výskumníci znovu analyzovali obsah skúmaviek, ktoré Miller uchovával neporušené, a zistili, že v skutočnosti zmes produktov neobsahuje vôbec 5 aminokyselín, ale 22, len autor experimentu ich pred niekoľkými desaťročiami nedokázali identifikovať.

Potom vedci stáli pred otázkou, ktorá z troch základných molekúl obsiahnutých vo všetkých živých organizmoch (DNA, RNA alebo proteíny) sa stala ďalším krokom pri formovaní života. Zložitosť tejto problematiky spočíva v tom, že proces tvorby každej z troch molekúl závisí od ostatných dvoch a nemôže sa uskutočniť v jej neprítomnosti.

Vedci teda museli buď uznať možnosť vytvorenia dvoch tried molekúl naraz v dôsledku náhodnej úspešnej kombinácie aminokyselín, alebo súhlasiť s tým, že štruktúra ich komplexných vzťahov sa vytvorila spontánne po vzniku všetkých troch tried. .

Problém bol vyriešený v 80. rokoch 20. storočia, keď Thomas Check a Sidney Altman objavili schopnosť RNA existovať úplne autonómne, pričom funguje ako urýchľovač chemických reakcií a syntetizuje nové RNA podobné jej samej. Tento objav viedol k „hypotéze sveta RNA“, ktorú prvýkrát navrhol mikrobiológ Carl Woese v roku 1968 a nakoniec ju sformuloval biochemik Walter Gilbert, ktorý získal Nobelovu cenu v roku 1986. Podstatou tejto teórie je, že základom života sú molekuly ribonukleovej kyseliny, ktoré by v procese sebareprodukcie mohli akumulovať mutácie. Tieto mutácie nakoniec viedli k schopnosti kyseliny ribonukleovej vytvárať proteíny. Proteínové zlúčeniny sú účinnejšie katalyzátory ako RNA, a preto boli mutácie, ktoré ich vytvorili, fixované prostredníctvom procesu prirodzeného výberu.

Zároveň sa vytvorili „úložiská“ genetickej informácie – DNA. Ribonukleové kyseliny sa zachovali ako sprostredkovateľ medzi DNA a proteínmi, ktoré vykonávajú mnoho rôznych funkcií:

uchovávajú informácie o sekvencii aminokyselín v proteínoch, prenášajú aminokyseliny na miesta syntézy peptidových väzieb a podieľajú sa na regulácii stupňa aktivity určitých génov.

V súčasnosti vedci nemajú jasný dôkaz, že takáto syntéza RNA v dôsledku náhodných kombinácií aminokyselín je možná, hoci existuje isté potvrdenie tejto teórie: napríklad v roku 1975 vedci Manfred Samper a Rudiger Luce preukázali, že za určitých podmienky RNA môže spontánne vzniknúť v zmesi obsahujúcej iba nukleotidy a replikázu av roku 2009 výskumníci z Manchesterskej univerzity ukázali, že uridín a cytidín – zložky ribonukleovej kyseliny – by sa dali syntetizovať v podmienkach ranej Zeme. Niektorí vedci však naďalej kritizujú „hypotézu sveta RNA“ kvôli extrémne nízkej pravdepodobnosti spontánneho vzniku ribonukleovej kyseliny s katalytickými vlastnosťami.

Vedci Richard Wolfenden a Charles Carter z University of North Carolina navrhli svoju verziu formovania života z primárneho „stavebného materiálu“. Veria, že aminokyseliny, vytvorené zo súboru chemických prvkov, ktoré existovali na Zemi, sa stali základom pre tvorbu nie ribonukleových kyselín, ale iných, jednoduchších látok - proteínových enzýmov, ktoré umožnili vznik RNA. Vedci zverejnili výsledky svojej práce v časopise PNAS .

Richard Wolfenden analyzoval fyzikálne vlastnosti 20 aminokyselín a dospel k záveru, že aminokyseliny môžu nezávisle poskytnúť proces tvorby štruktúry kompletného proteínu. Tieto proteíny boli zase enzýmy – molekuly, ktoré urýchľujú chemické reakcie v tele. Charles Carter pokračoval v práci svojho kolegu a na príklade enzýmu nazývaného aminoacyl-tRNA syntetáza ukázal obrovský význam, ktorý môžu enzýmy zohrávať pri ďalšom vývoji základov života: tieto

proteínové molekuly sú schopné rozpoznať transportné ribonukleové kyseliny, zabezpečiť ich zhodu s úsekmi genetického kódu, a tým organizovať správny prenos genetickej informácie do ďalších generácií.

Podľa autorov štúdie sa im podarilo nájsť práve ten „chýbajúci článok“, ktorý bol medzistupňom medzi tvorbou aminokyselín z primárnych chemických prvkov a skladaním komplexných ribonukleových kyselín z nich. Proces tvorby proteínových molekúl je v porovnaní s tvorbou RNA celkom jednoduchý a jeho realizovateľnosť dokázal Wolfenden štúdiom 20 aminokyselín.

Zistenia vedcov tiež poskytujú odpoveď na ďalšiu otázku, ktorá výskumníkov už dlho znepokojuje, a to: kedy došlo k „deľbe práce“ medzi proteínmi a nukleovými kyselinami, medzi ktoré patrí DNA a RNA. Ak je teória Wolfendena a Cartera správna, potom môžeme s istotou povedať: proteíny a nukleové kyseliny si medzi sebou „rozdelili“ svoje hlavné funkcie na úsvite života, konkrétne pred 4 miliardami rokov.

Otázka, kedy sa na Zemi objavil život, vždy znepokojovala nielen vedcov, ale aj všetkých ľudí. Odpovede na to

takmer všetky náboženstvá. Hoci na túto otázku stále neexistuje presná vedecká odpoveď, niektoré fakty nám umožňujú vysloviť viac či menej rozumné hypotézy. Výskumníci našli vzorku horniny v Grónsku

s drobnou kvapkou uhlíka. Vek vzorky je viac ako 3,8 miliardy rokov. Zdrojom uhlíka bol s najväčšou pravdepodobnosťou nejaký druh organickej hmoty – počas tejto doby úplne stratil svoju štruktúru. Vedci sa domnievajú, že tento kus uhlíka môže byť najstaršou stopou života na Zemi.

Ako vyzerala primitívna Zem?

Poďme rýchlo vpred pred 4 miliardami rokov. Atmosféra neobsahuje voľný kyslík, nachádza sa iba v oxidoch. Takmer žiadne zvuky okrem hvízdania vetra, syčania vody vytekajúcej lávou a dopadov meteoritov na povrch Zeme. Žiadne rastliny, žiadne zvieratá, žiadne baktérie. Možno takto vyzerala Zem, keď sa na nej objavil život? Hoci tento problém už dlho znepokojuje mnohých výskumníkov, ich názory na túto vec sa značne líšia. Horniny mohli naznačovať vtedajšie pomery na Zemi, no v dôsledku geologických procesov a pohybov zemskej kôry boli zničené už dávno.

V tomto článku budeme stručne hovoriť o niekoľkých hypotézach o vzniku života, ktoré odrážajú moderné vedecké myšlienky. Podľa Stanleyho Millera, známeho odborníka v oblasti vzniku života, môžeme hovoriť o vzniku života a začiatku jeho evolúcie od momentu, keď sa organické molekuly samoorganizovali do štruktúr, ktoré boli schopné samy reprodukovať . To však vyvoláva ďalšie otázky: ako tieto molekuly vznikli; prečo sa mohli reprodukovať a zostavovať do tých štruktúr, z ktorých vznikli živé organizmy; aké sú na to potrebné podmienky?

Podľa jednej hypotézy sa život začal v kuse ľadu. Hoci mnohí vedci veria, že oxid uhličitý v atmosfére udržiaval skleníkové podmienky, iní veria, že na Zemi vládla zima. Pri nízkych teplotách sú všetky chemické zlúčeniny stabilnejšie, a preto sa môžu hromadiť vo väčších množstvách ako pri vysokých teplotách. Úlomky meteoritov prinesené z vesmíru, emisie z hydrotermálnych prieduchov a chemické reakcie vyskytujúce sa počas elektrických výbojov v atmosfére boli zdrojmi amoniaku a organických zlúčenín, ako sú formaldehyd a kyanid. Keď sa dostali do vody Svetového oceánu, zamrzli spolu s ním. V ľadovom stĺpci sa molekuly organických látok priblížili k sebe a vstúpili do interakcií, ktoré viedli k tvorbe glycínu a iných aminokyselín. Oceán bol pokrytý ľadom, ktorý chránil novovzniknuté zlúčeniny pred zničením ultrafialovým žiarením. Tento ľadový svet by sa mohol roztopiť napríklad vtedy, ak by na planétu spadol obrovský meteorit (obr. 1).

Charles Darwin a jeho súčasníci verili, že život mohol vzniknúť vo vodnej ploche. Mnoho vedcov sa stále drží tohto názoru. V uzavretej a relatívne malej nádrži by sa mohli v požadovanom množstve hromadiť organické látky, ktoré do nej pritekajúce vody prinášajú. Tieto zlúčeniny sa potom ďalej koncentrovali na vnútorných povrchoch vrstvených minerálov, ktoré mohli katalyzovať reakcie. Napríklad dve molekuly fosfaldehydu, ktoré sa stretli na povrchu minerálu, navzájom reagovali za vzniku fosforylovanej molekuly sacharidov, možného prekurzora ribonukleovej kyseliny (obr. 2).

Alebo možno život vznikol v oblastiach sopečnej činnosti? Ihneď po svojom vzniku bola Zem ohnivou guľou magmy. Počas sopečných erupcií a s plynmi uvoľnenými z roztavenej magmy sa na zemský povrch dostali rôzne chemikálie potrebné na syntézu organických molekúl. Molekuly oxidu uhoľnatého na povrchu minerálu pyritu, ktorý má katalytické vlastnosti, teda mohli reagovať so zlúčeninami, ktoré mali metylové skupiny a vytvárať kyselinu octovú, z ktorej sa potom syntetizovali ďalšie organické zlúčeniny (obr. 3).

Americkému vedcovi Stanleymu Millerovi sa prvýkrát podarilo získať organické molekuly – aminokyseliny – v laboratórnych podmienkach simulujúcich tie, ktoré boli na primitívnej Zemi v roku 1952. Potom sa tieto experimenty stali senzáciou a ich autor si získal celosvetovú slávu. V súčasnosti pokračuje vo výskume v oblasti prebiotickej (pred životom) chémie na Kalifornskej univerzite. Zariadenie, na ktorom sa uskutočnil prvý experiment, bola sústava baniek, v jednej z ktorých bolo možné získať silný elektrický výboj pri napätí 100 000 V.

Miller naplnil túto banku prírodnými plynmi – metánom, vodíkom a amoniakom, ktoré boli prítomné v atmosfére primitívnej Zeme. Banka nižšie obsahovala malé množstvo vody, čo simulovalo oceán. Elektrický výboj bol svojou silou blízky blesku a Miller očakával, že pod jeho pôsobením vzniknú chemické zlúčeniny, ktoré keď sa dostanú do vody, budú medzi sebou reagovať a vytvárať zložitejšie molekuly.

Výsledok prekonal všetky očakávania. Po večernom vypnutí inštalácie a návrate na druhý deň ráno Miller zistil, že voda v banke získala žltkastú farbu. Vznikla polievka aminokyselín, stavebných kameňov bielkovín. Tento experiment teda ukázal, ako ľahko sa dajú vytvoriť základné zložky života. Stačila na to zmes plynov, malý oceán a trochu bleskov.

Iní vedci sa prikláňajú k názoru, že starodávna atmosféra Zeme sa líšila od atmosféry, ktorú modeloval Miller, a s najväčšou pravdepodobnosťou pozostávala z oxidu uhličitého a dusíka. Pomocou tejto zmesi plynov a Millerovho experimentálneho nastavenia sa chemici pokúsili vyrobiť organické zlúčeniny. Ich koncentrácia vo vode však bola taká nepatrná, ako keby sa kvapka potravinárskeho farbiva rozpustila v bazéne. Prirodzene, je ťažké si predstaviť, ako by mohol vzniknúť život v tak zriedenom roztoku.

Ak bol skutočne príspevok pozemských procesov k vytváraniu zásob primárnej organickej hmoty taký nepatrný, tak odkiaľ sa vôbec vzal? Možno z vesmíru? Asteroidy, kométy, meteority a dokonca aj častice medziplanetárneho prachu môžu niesť organické zlúčeniny vrátane aminokyselín. Tieto mimozemské objekty by mohli poskytnúť dostatočné množstvo organických zlúčenín na to, aby život mohol vstúpiť do prvotného oceánu alebo malého vodného útvaru.

Postupnosť a časový interval udalostí, počnúc tvorbou primárnej organickej hmoty a končiac objavením sa života ako takého, zostáva a pravdepodobne navždy zostane záhadou, ktorá znepokojuje mnohých výskumníkov, ako aj otázka čoho. v skutočnosti to považujte za život.

V súčasnosti existuje niekoľko vedeckých definícií života, no všetky nie sú presné. Niektoré z nich sú také široké, že pod nimi padajú neživé predmety ako oheň alebo kryštály minerálov. Iné sú zase príliš úzke a mulice, ktoré nerodia potomstvo, nie sú podľa nich uznané za živé.

Jeden z najúspešnejších definuje život ako sebestačný chemický systém schopný správať sa v súlade so zákonmi darwinovskej evolúcie. To znamená, že po prvé, skupina žijúcich jedincov musí splodiť potomkov podobných sebe, ktorí zdedia vlastnosti svojich rodičov. Po druhé, generácie potomkov musia ukázať dôsledky mutácií – genetických zmien, ktoré dedia ďalšie generácie a spôsobujú variabilitu populácie. A po tretie, je potrebné, aby fungoval systém prirodzeného výberu, v dôsledku ktorého niektorí jedinci získavajú výhodu nad ostatnými a prežívajú v zmenených podmienkach, produkujúc potomstvo.

Aké prvky systému boli potrebné na to, aby mal vlastnosti živého organizmu? Veľký počet biochemikov a molekulárnych biológov verí, že molekuly RNA mali potrebné vlastnosti. RNA – ribonukleové kyseliny – sú špeciálne molekuly. Niektoré z nich sa môžu replikovať, mutovať a tak prenášať informácie, a preto by sa mohli podieľať na prirodzenom výbere. Pravda, nie sú schopné samy katalyzovať proces replikácie, hoci vedci dúfajú, že v blízkej budúcnosti sa nájde fragment RNA s takouto funkciou. Ďalšie molekuly RNA sa podieľajú na „čítaní“ genetickej informácie a jej prenose do ribozómov, kde dochádza k syntéze proteínových molekúl, na ktorej sa podieľa tretí typ molekúl RNA.

Najprimitívnejší živý systém by teda mohli predstavovať molekuly RNA, ktoré sa duplikujú, prechádzajú mutáciami a podliehajú prirodzenému výberu. V priebehu evolúcie na báze RNA vznikli špecializované molekuly DNA - správcovia genetickej informácie - a nemenej špecializované molekuly proteínov, ktoré prevzali funkcie katalyzátorov syntézy všetkých v súčasnosti známych biologických molekúl.

V určitom okamihu sa „živý systém“ DNA, RNA a proteínu našiel vo vrecku tvorenom lipidovou membránou a táto štruktúra, viac chránená pred vonkajšími vplyvmi, slúžila ako prototyp úplne prvých buniek, ktoré dali vznik do troch hlavných odvetví života, ktoré sú v modernom svete zastúpené baktériami, archaeami a eukaryotmi. Pokiaľ ide o dátum a postupnosť výskytu takýchto primárnych buniek, zostáva to záhadou. Navyše podľa jednoduchých pravdepodobnostných odhadov nie je dostatok času na evolučný prechod od organických molekúl k prvým organizmom – prvé najjednoduchšie organizmy sa objavili príliš náhle.

Vedci sa mnoho rokov domnievali, že je nepravdepodobné, že by sa život mohol objaviť a vyvinúť v období, keď Zem neustále podliehala zrážkam s veľkými kométami a meteoritmi, teda v období, ktoré sa skončilo približne pred 3,8 miliardami rokov. Nedávno však boli v najstarších sedimentárnych horninách na Zemi, nájdených v juhozápadnom Grónsku, objavené stopy zložitých bunkových štruktúr spred najmenej 3,86 miliardy rokov. To znamená, že prvé formy života mohli vzniknúť milióny rokov predtým, ako sa zastavilo bombardovanie našej planéty veľkými kozmickými telesami. Potom je však možný úplne iný scenár (obr. 4).

Vesmírne objekty padajúce na Zem mohli zohrať ústrednú úlohu pri vzniku života na našej planéte, keďže podľa viacerých výskumníkov mohli bunky podobné baktériám vzniknúť na inej planéte a potom spolu s asteroidmi dosiahnuť Zem. Jeden dôkaz podporujúci teóriu o mimozemskom pôvode života sa našiel vo vnútri meteoritu v tvare zemiaka s názvom ALH84001. Tento meteorit bol pôvodne kusom marťanskej kôry, ktorý bol potom vymrštený do vesmíru v dôsledku explózie, keď sa obrovský asteroid zrazil s povrchom Marsu, ku ktorému došlo asi pred 16 miliónmi rokov. A pred 13 tisíc rokmi, po dlhej ceste v rámci slnečnej sústavy, tento úlomok marťanskej horniny vo forme meteoritu pristál v Antarktíde, kde bol nedávno objavený. Podrobná štúdia meteoritu odhalila tyčovité štruktúry pripomínajúce skamenené baktérie v jeho vnútri, čo vyvolalo vášnivú vedeckú diskusiu o možnosti života hlboko v marťanskej kôre. Tieto spory bude možné vyriešiť najskôr v roku 2005, keď americký Národný úrad pre letectvo a vesmír zavedie program na let medziplanetárnou kozmickou loďou na Mars s cieľom odobrať vzorky marťanskej kôry a doručiť vzorky na Zem. A ak sa vedcom podarí dokázať, že mikroorganizmy kedysi obývali Mars, potom môžeme s väčšou mierou istoty hovoriť o mimozemskom pôvode života a možnosti prinesenia života z vesmíru (obr. 5).

Ryža. 5. Náš pôvod je z mikróbov.

Čo sme zdedili od starovekých foriem života? Nižšie uvedené porovnanie jednobunkových organizmov s ľudskými bunkami odhaľuje mnohé podobnosti.

1. Sexuálne rozmnožovanie Dve špecializované reprodukčné bunky rias – gaméty – sa spájajú a vytvárajú bunku, ktorá nesie genetický materiál od oboch rodičov. To nápadne pripomína oplodnenie ľudského vajíčka spermiou.

2. Riasy Tenké riasinky na povrchu jednobunkového paramecia sa hojdajú ako drobné veslá a poskytujú mu pohyb pri hľadaní potravy. Podobné riasinky lemujú dýchacie cesty človeka, vylučujú hlien a zachytávajú cudzie častice.

3. Zachyťte ďalšie bunky Améba absorbuje potravu, obklopuje ju pseudopódiou, ktorá vzniká predĺžením a predĺžením časti bunky. Vo zvieracom alebo ľudskom tele améboidné krvinky podobne rozširujú svoje pseudopodia, aby pohltili nebezpečné baktérie. Tento proces sa nazýva fagocytóza.

4. Mitochondrie Prvé eukaryotické bunky vznikli, keď améba zachytila ​​prokaryotické bunky aeróbnych baktérií, z ktorých sa vyvinuli mitochondrie. A hoci baktérie a mitochondrie bunky (pankreasu) nie sú veľmi podobné, majú jednu funkciu – produkovať energiu oxidáciou potravy.

5. Flagella Dlhý bičík ľudskej spermie umožňuje pohybovať sa vysokou rýchlosťou. Baktérie a jednoduché eukaryoty majú tiež bičíky s podobnou vnútornou štruktúrou. Pozostáva z dvojice mikrotubulov obklopených deviatimi ďalšími.

Vývoj života na Zemi: od jednoduchého k zložitému

V súčasnosti a zrejme ani v budúcnosti veda nebude vedieť odpovedať na otázku, ako vyzeral úplne prvý organizmus, ktorý sa objavil na Zemi – predok, z ktorého pochádzajú tri hlavné vetvy stromu života. Jednou z vetiev sú eukaryoty, ktorých bunky majú vytvorené jadro obsahujúce genetický materiál a špecializované organely: mitochondrie produkujúce energiu, vakuoly atď. Medzi eukaryotické organizmy patria riasy, huby, rastliny, zvieratá a ľudia.

Druhou vetvou sú baktérie – prokaryotické (prednukleárne) jednobunkové organizmy, ktoré nemajú výrazné jadro a organely. A napokon treťou vetvou sú jednobunkové organizmy nazývané archaea alebo archebaktérie, ktorých bunky majú rovnakú štruktúru ako prokaryoty, ale úplne inú chemickú štruktúru lipidov.

Mnohé archebaktérie sú schopné prežiť v extrémne nepriaznivých podmienkach prostredia. Niektoré z nich sú teplomilné a žijú iba v horúcich prameňoch s teplotou 90 °C alebo aj vyššou, kde by iné organizmy jednoducho uhynuli. Tieto jednobunkové organizmy, ktoré sa v takýchto podmienkach cítia skvele, konzumujú železo a látky obsahujúce síru, ako aj množstvo chemických zlúčenín, ktoré sú toxické pre iné formy života. Podľa vedcov sú nájdené teplomilné archebaktérie mimoriadne primitívne organizmy a z evolučného hľadiska sú blízkymi príbuznými najstarších foriem života na Zemi.

Je zaujímavé, že moderní predstavitelia všetkých troch odvetví života, najviac podobní svojim predkom, stále žijú na miestach s vysokými teplotami. Na základe toho sa niektorí vedci prikláňajú k názoru, že život s najväčšou pravdepodobnosťou vznikol asi pred 4 miliardami rokov na dne oceánov v blízkosti horúcich prameňov, vyvierajúcich prúdy bohaté na kovy a vysokoenergetické látky. Vzájomnou interakciou a interakciou s vodou vtedy sterilného oceánu, vstupom do širokej škály chemických reakcií, tieto zlúčeniny viedli k vzniku zásadne nových molekúl. Desiatky miliónov rokov sa teda v tejto „chemickej kuchyni“ pripravoval najväčší pokrm – život. A asi pred 4,5 miliardami rokov sa na Zemi objavili jednobunkové organizmy, ktorých osamelá existencia pokračovala počas celého prekambrického obdobia.

Výbuch evolúcie, ktorý dal vznik mnohobunkovým organizmom, nastal oveľa neskôr, pred niečo vyše pol miliardou rokov. Hoci sú mikroorganizmy také malé, že jedna kvapka vody môže obsahovať miliardy, rozsah ich práce je obrovský.

Predpokladá sa, že spočiatku v zemskej atmosfére a oceánoch nebol voľný kyslík a za týchto podmienok žili a vyvíjali sa iba anaeróbne mikroorganizmy. Špeciálnym krokom vo vývoji živých tvorov bol vznik fotosyntetických baktérií, ktoré pomocou svetelnej energie premieňali oxid uhličitý na sacharidové zlúčeniny, ktoré slúžili ako potrava pre iné mikroorganizmy. Ak prvá fotosyntéza produkovala metán alebo sírovodík, potom mutanti, ktorí sa raz objavili, začali počas fotosyntézy produkovať kyslík. Keďže sa kyslík hromadil v atmosfére a vodách, anaeróbne baktérie, pre ktoré je to deštruktívne, obsadili niky bez kyslíka.

Staroveké fosílie nájdené v Austrálii spred 3,46 miliardy rokov odhalili štruktúry, o ktorých sa predpokladá, že sú pozostatkami cyanobaktérií, prvých fotosyntetických mikroorganizmov. O niekdajšej dominancii anaeróbnych mikroorganizmov a siníc svedčia stromatolity nachádzajúce sa v plytkých pobrežných vodách neznečistených slaných vôd. Tvarom pripomínajú veľké balvany a predstavujú zaujímavé spoločenstvo mikroorganizmov žijúcich vo vápencových alebo dolomitových horninách, ktoré vznikli v dôsledku ich životnej činnosti. V hĺbke niekoľkých centimetrov od povrchu sú stromatolity nasýtené mikroorganizmami: v najvrchnejšej vrstve žijú fotosyntetické sinice produkujúce kyslík; nachádzajú sa hlbšie baktérie, ktoré sú do určitej miery tolerantné voči kyslíku a nevyžadujú svetlo; v spodnej vrstve sú baktérie, ktoré môžu žiť len v neprítomnosti kyslíka. Tieto mikroorganizmy, ktoré sa nachádzajú v rôznych vrstvách, tvoria systém spojený komplexnými vzťahmi medzi nimi, vrátane potravinových vzťahov. Za mikrobiálnym filmom je hornina vytvorená ako výsledok interakcie zvyškov mŕtvych mikroorganizmov s uhličitanom vápenatým rozpusteným vo vode. Vedci sa domnievajú, že keď na primitívnej Zemi neexistovali žiadne kontinenty a nad hladinou oceánu sa týčili len súostrovia sopiek, plytké vody boli plné stromatolov.

V dôsledku aktivity fotosyntetických cyanobaktérií sa v oceáne objavil kyslík a približne 1 miliardu rokov na to sa začal hromadiť v atmosfére. Po prvé, výsledný kyslík interagoval so železom rozpusteným vo vode, čo viedlo k objaveniu sa oxidov železa, ktoré sa postupne zrážali na dne. Za milióny rokov tak za účasti mikroorganizmov vznikli obrovské ložiská železnej rudy, z ktorej sa dnes taví oceľ.

Potom, keď väčšina železa v oceánoch zoxidovala a už nemohla viazať kyslík, uniklo do atmosféry v plynnej forme.

Po tom, čo si fotosyntetické sinice vytvorili z oxidu uhličitého istú zásobu energeticky bohatej organickej hmoty a obohatili zemskú atmosféru o kyslík, vznikli nové baktérie – aeróby, ktoré môžu existovať len v prítomnosti kyslíka. Na oxidáciu (spaľovanie) organických zlúčenín potrebujú kyslík a značná časť vzniknutej energie sa premieňa na biologicky dostupnú formu – adenozíntrifosfát (ATP). Tento proces je energeticky veľmi priaznivý: anaeróbne baktérie pri rozklade jednej molekuly glukózy prijímajú len 2 molekuly ATP a aeróbne baktérie využívajúce kyslík 36 molekúl ATP.

S príchodom kyslíka dostatočného na aeróbny životný štýl debutovali aj eukaryotické bunky, ktoré majú na rozdiel od baktérií jadro a organely ako mitochondrie, lyzozómy a v riasach a vyšších rastlinách - chloroplasty, kde prebiehajú fotosyntetické reakcie. Existuje zaujímavá a opodstatnená hypotéza týkajúca sa vzniku a vývoja eukaryot, ktorú pred takmer 30 rokmi vyslovil americký výskumník L. Margulis. Podľa tejto hypotézy sú mitochondrie, ktoré v eukaryotickej bunke fungujú ako továrne na energiu, aeróbne baktérie a chloroplasty rastlinných buniek, v ktorých prebieha fotosyntéza, sú sinice, pravdepodobne pred asi 2 miliardami rokov absorbované primitívnymi amébami. V dôsledku vzájomne prospešných interakcií sa absorbované baktérie stali vnútornými symbiontmi a vytvorili s bunkou, ktorá ich absorbovala, stabilný systém – eukaryotickú bunku.

Štúdie fosílnych pozostatkov organizmov v horninách rôzneho geologického veku ukázali, že stovky miliónov rokov po svojom vzniku boli eukaryotické formy života reprezentované mikroskopickými sférickými jednobunkovými organizmami, ako sú kvasinky, a ich evolučný vývoj prebiehal veľmi pomaly. tempo. Ale pred niečo vyše 1 miliardou rokov sa objavilo mnoho nových druhov eukaryotov, čo znamenalo dramatický skok vo vývoji života.

V prvom rade to bolo spôsobené objavením sa sexuálnej reprodukcie. A ak sa baktérie a jednobunkové eukaryoty množia produkciou geneticky identických kópií samých seba a bez potreby sexuálneho partnera, potom sexuálna reprodukcia vo viac organizovaných eukaryotických organizmoch prebieha nasledovne. Dve haploidné pohlavné bunky rodičov, ktoré majú jednu sadu chromozómov, sa spoja a vytvoria zygotu, ktorá má dvojitú sadu chromozómov s génmi oboch partnerov, čo vytvára príležitosti pre nové kombinácie génov. Vznik sexuálnej reprodukcie viedol k vzniku nových organizmov, ktoré vstúpili do arény evolúcie.

Tri štvrtiny celej existencie života na Zemi predstavovali výlučne mikroorganizmy, až kým nenastal kvalitatívny skok v evolúcii, ktorý viedol k vzniku vysoko organizovaných organizmov vrátane človeka. Poďme sledovať hlavné míľniky v histórii života na Zemi v zostupnej línii.

Pred 1,2 miliardami rokov došlo k explózii evolúcie spôsobenej príchodom sexuálneho rozmnožovania a poznačená objavením sa vysoko organizovaných foriem života - rastlín a zvierat.

Vznik nových variácií v zmiešanom genotype, ktorý vzniká pri pohlavnom rozmnožovaní, sa prejavil v podobe biodiverzity nových foriem života.

Pred 2 miliardami rokov sa objavili zložité eukaryotické bunky, keď jednobunkové organizmy skomplikovali svoju štruktúru absorbovaním iných prokaryotických buniek. Niektoré z nich – aeróbne baktérie – sa zmenili na mitochondrie – energetické stanice na dýchanie kyslíka. Iné - fotosyntetické baktérie - začali vykonávať fotosyntézu vo vnútri hostiteľskej bunky a stali sa chloroplastmi v bunkách rias a rastlín. Eukaryotické bunky, ktoré majú tieto organely a jasne odlišné jadro obsahujúce genetický materiál, tvoria všetky moderné komplexné formy života – od plesní až po ľudí.

Pred 3,9 miliardami rokov sa objavili jednobunkové organizmy, ktoré pravdepodobne vyzerali ako moderné baktérie a archebaktérie. Staroveké aj moderné prokaryotické bunky majú pomerne jednoduchú štruktúru: nemajú vytvorené jadro a špecializované organely, ich rôsolovitá cytoplazma obsahuje makromolekuly DNA - nosiče genetickej informácie a ribozómy, na ktorých prebieha syntéza bielkovín a energia sa vyrába na cytoplazmatická membrána obklopujúca bunku.

Pred 4 miliardami rokov sa záhadne objavila RNA. Je možné, že vznikla z jednoduchších organických molekúl, ktoré sa objavili na primitívnej zemi. Predpokladá sa, že staré molekuly RNA mali funkcie nosičov genetickej informácie a proteínových katalyzátorov, boli schopné replikácie (samoduplikácie), mutovali a podliehali prirodzenému výberu. V moderných bunkách RNA tieto vlastnosti nemá alebo nevykazuje, ale zohráva veľmi dôležitú úlohu ako sprostredkovateľ pri prenose genetickej informácie z DNA do ribozómov, v ktorých dochádza k syntéze bielkovín.

A.L. Prochorov
Na základe článku Richarda Monasterského
v časopise National Geographic, 1998 č. 3

Pôvod života na Zemi je jednou z najťažších a zároveň relevantných a najzaujímavejších otázok modernej prírodnej vedy.

Zem pravdepodobne vznikla pred 4,5 až 5 miliardami rokov z obrovského oblaku kozmického prachu. ktorých častice boli stlačené do horúcej gule. Vodná para sa z nej uvoľnila do atmosféry a voda padala z atmosféry na pomaly chladnúcu Zem po milióny rokov vo forme dažďa. V priehlbinách zemského povrchu vznikol prehistorický oceán. Pôvodný život v ňom vznikol približne pred 3,8 miliardami rokov.

Vznik života na Zemi

Ako vznikla samotná planéta a ako sa na nej objavili moria? Existuje na to jedna všeobecne uznávaná teória. Podľa nej Zem vznikla z oblakov kozmického prachu obsahujúcich všetky chemické prvky známe v prírode, ktoré boli stlačené do gule. Z povrchu tejto rozžeravenej gule unikala horúca vodná para, ktorá ju zahalila do súvislej oblačnosti.Vodná para v oblakoch sa pomaly ochladzovala a menila sa na vodu, ktorá v podobe výdatných súvislých dažďov padala na ešte horúce, horiace Zem. Na svojom povrchu sa opäť zmenil na vodnú paru a vrátil sa do atmosféry. Počas miliónov rokov Zem postupne stratila toľko tepla, že jej tekutý povrch začal chladnutím tvrdnúť. Takto vznikla zemská kôra.

Prešli milióny rokov a teplota zemského povrchu klesla ešte viac. Prívalová voda sa prestala odparovať a začala stekať do obrovských mlák. Tak začal vplyv vody na zemský povrch. A potom kvôli poklesu teploty nastala skutočná potopa. Voda, ktorá sa predtým vyparila do atmosféry a zmenila sa na jej súčasť, nepretržite padala na Zem, z mrakov padali silné lejaky s hrommi a bleskami.

Kúsok po kúsku sa v najhlbších priehlbinách zemského povrchu hromadila voda, ktorá sa už nestihla úplne vypariť. Bolo toho toľko, že sa na planéte postupne vytvoril prehistorický oceán. Oblohu zasiahli blesky. Ale toto nikto nevidel. Na Zemi ešte nebol život. Nepretržitý dážď začal erodovať hory. Voda z nich tiekla v hlučných potokoch a búrlivých riekach. Vodné toky za milióny rokov hlboko erodovali zemský povrch a na niektorých miestach vznikli údolia. Obsah vody v atmosfére klesol a na povrchu planéty sa jej hromadilo stále viac.

Súvislá oblačnosť sa stenčila, až sa jedného krásneho dňa prvý slnečný lúč dotkol Zeme. Nepretržitý dážď ustal. Väčšinu územia pokrýval prehistorický oceán. Z jeho vrchných vrstiev voda vyplavila obrovské množstvo rozpustných minerálov a solí, ktoré dopadli do mora. Voda z nej sa priebežne odparovala, vytvárali sa oblaky a soli sa usadzovali a časom dochádzalo k postupnému zasoľovaniu morskej vody. Zrejme za určitých podmienok, ktoré existovali v dávnych dobách, vznikali látky, z ktorých vznikli zvláštne kryštalické formy. Rástli, ako všetky kryštály, a dali vzniknúť novým kryštálom, ktoré do seba pridávali stále viac látok.

Ako zdroj energie v tomto procese slúžilo slnečné svetlo a možno aj veľmi silné elektrické výboje. Z takýchto prvkov vzišli azda prví obyvatelia Zeme – prokaryoty, organizmy bez vytvoreného jadra, podobné moderným baktériám. Boli to anaeróby, to znamená, že na dýchanie nepoužívali voľný kyslík, ktorý ešte v atmosfére neexistoval. Zdrojom potravy pre nich boli organické zlúčeniny, ktoré vznikli na ešte neživej Zemi v dôsledku vystavenia ultrafialovému žiareniu zo Slnka, výbojom bleskov a teplu vznikajúcemu pri sopečných erupciách.

Život vtedy existoval v tenkom bakteriálnom filme na dne nádrží a na vlhkých miestach. Táto éra vývoja života sa nazýva archejská. Z baktérií a možno úplne nezávislým spôsobom vznikli drobné jednobunkové organizmy – najstaršie prvoky.

Ako vyzerala primitívna Zem?

Poďme rýchlo vpred pred 4 miliardami rokov. Atmosféra neobsahuje voľný kyslík, nachádza sa iba v oxidoch. Takmer žiadne zvuky okrem hvízdania vetra, syčania vody vytekajúcej lávou a dopadov meteoritov na povrch Zeme. Žiadne rastliny, žiadne zvieratá, žiadne baktérie. Možno takto vyzerala Zem, keď sa na nej objavil život? Hoci tento problém už dlho znepokojuje mnohých výskumníkov, ich názory na túto vec sa značne líšia. Horniny mohli naznačovať vtedajšie pomery na Zemi, no v dôsledku geologických procesov a pohybov zemskej kôry boli zničené už dávno.

Teórie vzniku života na Zemi

V tomto článku budeme stručne hovoriť o niekoľkých hypotézach o vzniku života, ktoré odrážajú moderné vedecké myšlienky. Podľa Stanleyho Millera, známeho odborníka v oblasti vzniku života, môžeme hovoriť o vzniku života a začiatku jeho evolúcie od momentu, keď sa organické molekuly samoorganizovali do štruktúr, ktoré boli schopné samy reprodukovať . To však vyvoláva ďalšie otázky: ako tieto molekuly vznikli; prečo sa mohli reprodukovať a zostavovať do tých štruktúr, z ktorých vznikli živé organizmy; aké sú na to potrebné podmienky?

Existuje niekoľko teórií o vzniku života na Zemi. Napríklad jedna z dlhodobých hypotéz hovorí, že bola na Zem prinesená z vesmíru, no neexistujú o tom presvedčivé dôkazy. Navyše, život, ktorý poznáme, je prekvapivo prispôsobený na existenciu presne v pozemských podmienkach, takže ak by vznikol mimo Zeme, bol by na planéte pozemského typu. Väčšina moderných vedcov verí, že život vznikol na Zemi, v jej moriach.

Teória biogenézy

Vo vývoji doktrín o pôvode života zaujíma významné miesto teória biogenézy - pôvodu živých vecí iba zo živých vecí. Mnohí to však považujú za neudržateľné, pretože zásadne stavia do protikladu živé s neživým a potvrdzuje myšlienku večnosti života, ktorú veda odmieta. Abiogenéza - myšlienka pôvodu živých vecí z neživých vecí - je počiatočnou hypotézou modernej teórie pôvodu života. V roku 1924 slávny biochemik A.I. Oparin navrhol, že so silnými elektrickými výbojmi v zemskej atmosfére, ktorá sa pred 4 až 4,5 miliardami rokov skladala z amoniaku, metánu, oxidu uhličitého a vodnej pary, by mohli vzniknúť najjednoduchšie organické zlúčeniny potrebné na vznik života. Predpoveď akademika Oparina sa naplnila. V roku 1955 americký výskumník S. Miller, prechádzajúc elektrickým nábojom cez zmes plynov a pár, získal najjednoduchšie mastné kyseliny, močovinu, kyselinu octovú a mravčiu a niekoľko aminokyselín. V polovici 20. storočia sa teda experimentálne uskutočňovala abiogénna syntéza bielkovinových a iných organických látok v podmienkach reprodukujúcich podmienky primitívnej Zeme.

Teória panspermie

Teória panspermie je možnosť prenosu organických zlúčenín a spór mikroorganizmov z jedného kozmického tela do druhého. Ale vôbec neodpovedá na otázku: ako vznikol život vo vesmíre? Je potrebné podložiť vznik života v tomto bode vesmíru, ktorého vek je podľa teórie veľkého tresku obmedzený na 12-14 miliárd rokov. Pred týmto časom neexistovali ani elementárne častice. A ak neexistujú žiadne jadrá a elektróny, neexistujú žiadne chemické látky. Potom sa v priebehu niekoľkých minút objavili protóny, neutróny, elektróny a hmota vstúpila do cesty evolúcie.

Na potvrdenie tejto teórie sa používajú viaceré pozorovania UFO, skalné maľby predmetov pripomínajúcich rakety a „astronautov“ a správy o údajných stretnutiach s mimozemšťanmi. Pri štúdiu materiálov meteoritov a komét sa v nich objavilo mnoho „prekurzorov života“ – látky ako kyanogény, kyselina kyanovodíková a organické zlúčeniny, ktoré mohli hrať úlohu „semená“, ktoré dopadli na holú Zem.

Zástancami tejto hypotézy boli laureáti Nobelovej ceny F. Crick a L. Orgel. F. Crick vychádzal z dvoch nepriamych dôkazov: z univerzálnosti genetického kódu: z potreby normálneho metabolizmu všetkých živých bytostí molybdénu, ktorý je dnes na planéte extrémne vzácny.

Pôvod života na Zemi je nemožný bez meteoritov a komét

Výskumník z Texaskej technickej univerzity po analýze obrovského množstva zozbieraných informácií predložil teóriu o tom, ako by sa na Zemi mohol vytvoriť život. Vedec je presvedčený, že objavenie sa raných foriem najjednoduchšieho života na našej planéte by nebolo možné bez účasti komét a meteoritov, ktoré na ňu dopadli. Výskumník sa podelil o svoju prácu na 125. výročnom stretnutí Geologickej spoločnosti Ameriky, ktoré sa konalo 31. októbra v Denveri v štáte Colorado.

Autor práce, profesor geovedy na Texaskej technickej univerzite (TTU) a kurátor univerzitného paleontologického múzea Sankar Chatterjee povedal, že k tomuto záveru dospel po analýze informácií o ranej geologickej histórii našej planéty a porovnaní týchto informácií. údaje s rôznymi teóriami chemickej evolúcie.

Odborník sa domnieva, že tento prístup umožňuje vysvetliť jedno z najskrytejších a neúplne preštudovaných období v histórii našej planéty. Podľa mnohých geológov sa väčšina vesmírnych „bombardovaní“, na ktorých sa zúčastnili kométy a meteority, odohrala asi pred 4 miliardami rokov. Chatterjee verí, že najskorší život na Zemi vznikol v kráteroch, ktoré zanechali padajúce meteority a kométy. A s najväčšou pravdepodobnosťou sa to stalo počas obdobia „neskorého ťažkého bombardovania“ (pred 3,8-4,1 miliardami rokov), keď sa kolízia malých vesmírnych objektov s našou planétou prudko zvýšila. V tom čase sa vyskytlo niekoľko tisíc prípadov pádov komét. Je zaujímavé, že túto teóriu nepriamo podporuje model z Nice. Podľa nej skutočný počet komét a meteoritov, ktoré mali v tom čase dopadnúť na Zem, zodpovedá skutočnému počtu kráterov na Mesiaci, ktorý bol zasa akýmsi štítom pre našu planétu a neumožňoval nekonečné bombardovanie. zničiť to.

Niektorí vedci tvrdia, že výsledkom tohto bombardovania je kolonizácia života v oceánoch Zeme. Viaceré štúdie na túto tému však naznačujú, že naša planéta má viac zásob vody, ako by mala. A tento prebytok sa pripisuje kométam, ktoré k nám prišli z Oortovho oblaku, ktorý sa údajne nachádza jeden svetelný rok od nás.

Chatterjee poukazuje na to, že krátery vytvorené týmito kolíziami boli vyplnené roztopenou vodou zo samotných komét, ako aj nevyhnutnými chemickými stavebnými kameňmi potrebnými na vytvorenie jednoduchých organizmov. Vedec sa zároveň domnieva, že miesta, kde sa život neobjavil ani po takomto bombardovaní, sa jednoducho ukázali ako nevhodné.

„Keď Zem vznikla asi pred 4,5 miliardami rokov, bolo úplne nevhodné, aby sa na nej objavili živé organizmy. Bol to skutočný vriaci kotol sopiek, jedovatého horúceho plynu a neustále naň padajúcich meteoritov,“ píše internetový magazín AstroBiology s odvolaním sa na vedca.

"A po jednej miliarde rokov sa z nej stala tichá a pokojná planéta, bohatá na obrovské zásoby vody, obývaná rôznymi predstaviteľmi mikrobiálneho života - predkami všetkých živých vecí."

Život na Zemi mohol vzniknúť vďaka hline

Skupina vedcov pod vedením Dana Lua z Cornell University prišla s hypotézou, že obyčajná hlina by mohla slúžiť ako koncentrátor pre staroveké biomolekuly.

Pôvodne sa výskumníci nezaoberali problémom pôvodu života – hľadali spôsob, ako zvýšiť účinnosť systémov bezbunkovej syntézy bielkovín. Namiesto toho, aby sa DNA a jej podporné proteíny voľne vznášali v reakčnej zmesi, vedci sa ich pokúsili vtlačiť do hydrogélových častíc. Tento hydrogél ako špongia absorboval reakčnú zmes, sorboval potrebné molekuly a v dôsledku toho sa všetky potrebné zložky uzamkli v malom objeme – podobne ako sa to deje v bunke.

Autori štúdie sa potom pokúsili použiť íl ako lacnú náhradu hydrogélu. Ukázalo sa, že častice ílu sú podobné časticiam hydrogélu, čím sa stali akýmsi mikroreaktorom pre interagujúce biomolekuly.

Po získaní takýchto výsledkov si vedci nemohli pomôcť, ale pripomenúť si problém pôvodu života. Ílové častice so svojou schopnosťou sorbovať biomolekuly by v skutočnosti mohli slúžiť ako úplne prvé bioreaktory pre úplne prvé biomolekuly, kým ešte nezískali membrány. Túto hypotézu podporuje aj fakt, že vylúhovanie silikátov a iných minerálov z hornín za vzniku ílu začalo podľa geologických odhadov tesne predtým, ako sa podľa biológov začali najstaršie biomolekuly spájať do protobuniek.

Vo vode, presnejšie v roztoku, by sa toho mohlo stať len málo, pretože procesy v roztoku sú absolútne chaotické a všetky zlúčeniny sú veľmi nestabilné. Moderná veda považuje hlinu – presnejšie povrch častíc ílových minerálov – za matricu, na ktorej by sa mohli vytvárať primárne polyméry. Ale to je tiež len jedna z mnohých hypotéz, z ktorých každá má svoje silné a slabé stránky. Ale aby ste mohli simulovať vznik života v plnom rozsahu, musíte byť skutočne Bohom. Aj keď na Západe sa už dnes objavujú články s názvami „Konštrukcia buniek“ alebo „Modelovanie buniek“. Napríklad jeden z posledných laureátov Nobelovej ceny, James Szostak, sa teraz aktívne pokúša vytvárať efektívne modely buniek, ktoré sa samy množia a reprodukujú svoj vlastný druh.