Tajemnica pochodzenia życia interesuje mnie od dawna. Nie tylko zresztą ja dociekałem prawdy, sądzę że, odkąd w mózgu naszych przodków zalśniła iskra intelektu, a wyobraźnię ożywiło pragnienie poznania, kolejne legiony myślicieli usiłowały zgłębić ów sekret natury. Po, niemożliwe do weryfikacji, wyjaśnienia sięgano do religii, legend, mitów, bajań, pseudonaukowych hipotez, szalbierstw, fantazji. Minęły wieki, a prawda niezmiennie pozostaje wciąż jedna – nie znamy odpowiedzi, nadal nie wiemy jak powstało życie. Warto szukać. Prawda wciąż jest, gdzieś tam...

„Był początek. Był początek czegoś, co było przed tym początkiem. Był początek czegoś, co było nawet przedtem niż początek tego, co było początkiem. Był byt. (...) Istniała złożona energia, która jeszcze nie rozwinęła się w formę zarodkową ani w żaden widoczny kształt korzenia, nasienia czy pierwiastka. Ale nawet wtedy, w tym szerokim i niewyczuwalnym położeniu, chęć przeskoczenia w formę życia była oczywista. (...) Niebo cechowała harmonia, choć jeszcze nie opuściło się w dół. Ziemia umiłowała ożywiający fluid, ale jeszcze się nie uniosła. Była próżnia – cicha, niegościnna, parna, niepodobna do niczego. Ożywiający fluid przepływał wokół bez celu”.

(filozofia chińska, księga Huai Nan Tse)*

Na ironię zdaje się zakrawać fakt, że mimo całego ogromu naszej wiedzy, tak naprawdę nie potrafimy sprecyzować czego szukamy; istota życia wciąż umyka próbom jednoznacznego zdefiniowania. Otóż „(...) definicja życia, zgodna z najnowszym stanem nauki, opisuje atrybuty życia, nie wyjaśniając na czym w istocie polega zjawisko życia.** Postawienie granicy między tym, co jest żywe, i tym, co można uważać za świat nieożywiony, jest sprawą trudną, zwłaszcza, że wobec stałego rozwoju badań rejonów poza naszą planetą nie można wykluczyć zjawisk tzw. życia pozaziemskiego. Musimy bowiem zakładać (zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy), że układach fizyko-chemicznych, różnych od naszego, ziemskiego przypadku, nie rozwinęły się organizmy/istoty/indywidua, których życie oparte jest na nieznanych nam zasadach.” ***

W dodatku organicznego surowca niezbędnego do stworzenia życia, w znanej nam postaci białkowej, jest wokół nas, nawet w przestrzeni kosmicznej, pod dostatkiem, znajdzie go z łatwością każdy potencjalny stwórca.

„(...) Wszechświat wydaje się być nieźle zapełniony surowcem mogącym służyć do utworzenia cząsteczek dezoksyrybonukleinowych (DNA) – podstawą całego życia na Ziemi. Jednakże nie umiemy jeszcze określić warunków dla stworzenia właściwych proporcji wszystkich komponentów we właściwym czasie i miejscu, które pozwoliłyby powtórzyć proces powstania życia. Z drugiej strony fakt, że zdarzyło się to raz pozwala wierzyć, że mogło się to gdzieś we Wszechświecie powtórzyć.” ****

___________________

* [w:] H. Adamczewska, Baśnie i legendy Dalekiego Wschodu, Warszawa 2000, s.16.

** Przykładowy cytat: „Biologia stara się, używając metod naukowych, formułować ogólne prawa dotyczące wszelkich przejawów życia.” za: http://pl.wikipedia.org/ .

*** Multimedia: Omnia 2001, Novara 2000.

**** Encyklopedie multimedialne. Encyklopedia Kosmosu, Poznań 1999.

Specyfika biologii jako nauki polega na tym, że jej zakres nie został dotychczas jednoznacznie zdefiniowany! Termin biologia został wprowadzony do użycia niezależnie przez dwóch przyrodników: Gottfrieda Reinholda Treviranusa i Jeana Baptiste Lamarcka w odniesieniu do gałęzi nauki zajmującej się organizmami żywymi*; był rok 1802. Niedługo potem, w latach 1838-39, niemieccy badacze: botanik - Schleiden i zoolog - Schwann sformułowali tzw. komórkową teorię budowy organizmów, która głosi, że wszystkie istoty żywe zbudowane są z komórek. Nikt wówczas nawet nie zakładał możliwości istnienia bytów żywych nie posiadających struktury komórkowej, dopiero z czasem rzeczywistość wprowadziła zamęt w biologicznych koncepcjach życia – odkryto wirusy; a nie było to ostatnie słowo natury…Wirus był pierwszym tworem skutecznie uderzającym w młody dogmat o komórkowym charakterze życia, nie posiada bowiem własnego metabolizmu (układów enzymatycznych), ani struktury komórkowej, potrafi jednak powielić się (cóż z tego, że niesamodzielnie)** i podlega ewolucji, zmianom w czasie. Wirusy stanowią obiekt zainteresowania biologii, często określa się je mianem organizmów niekompletnych, co sugeruje, że można być niezupełnie żywym… Słowo ‘życie’ pozostaje po prostu urzeczowieniem procesów przebiegających w organizmach, mimo wielu prób, wciąż nie istnieje jako niezależny byt, stąd też dla nauki istota życia pozostaje abstrakcją.

Oryginalną i fascynującą, cybernetyczną koncepcję życia przedstawił Bernard Korzeniewski, autor intrygującej książki Trzy ewolucje. Ewolucja Wszechświata. Ewolucja życia. Ewolucja świadomości.

„Życie jest zespołem sprzężeń zwrotnych ujemnych podporządkowanych nadrzędnemu sprzężeniu zwrotnemu dodatniemu.” ***

(Bernard Korzeniewski**** , 2001)

Zgodnie z tą definicją osobnikami cybernetycznymi są m.in. twory niezdolne do istnienia poza organizmem żywiciela – wirusy, wiroidy, transpozony. Zastanawiające, że poziom autonomii mitochondriów wystarcza by również wobec nich zastosować miano osobników biologicznych w sensie cybernetycznym. Autor proponuje nowe pojęcie – ewoluon - dla oznaczenia osobnika żywego w sensie cybernetycznym; tak zdefiniowany jest identyczny z podmiotem ewolucji.*****


______________________

* Biologia jest to dosłownie ‘nauka o życiu’ (z gr. bios - życie + logos - nauka), czyli nauka przyrodnicza o układach fizyko-chemicznych, do których można zastosować określenie "żywy", o życiu, ich pochodzeniu, rozwoju osobniczym, ewolucji, zależnościach między nimi, a także o powiązaniach między nimi i środowiskiem. Sam sens bycia „żywym” pozostaje niejasny…

** Rozporządzają własną informacją genetyczną, lecz nie są zdolne do przekazania jej samodzielnie następnym pokoleniom; w tym celu muszą korzystać z układów biologicznych pełnych
zawartych w żywych komórkach organizmów właściwych - wirusy są więc pasożytami
obligatoryjnymi (bezwzględnymi).

*** Przy czym sprzężenie zwrotne ujemne służy utrzymaniu stanu wyjściowego, natomiast sprzężenie zwrotne dodatnie zmianie stanu wyjściowego.

**** Warto zapoznać się z innymi publikacjami, poglądami tego autora. Więcej informacji o Bernardzie Korzeniewskim [w:] http://www.mol.uj.edu.pl/new_www/html/show_person_info.php?id=495 .

*****„Ponieważ wszelkie fenomeny psychiczno-kulturowe są poza granicą stosowalności cybernetycznej definicji życia, człowiek nie powinien być nią obejmowany.” (Korzeniewski B.)

Możemy zestawić zjawiska specyficzne dla istot żywych:

• Organizmy stanowią programy powstałe w wyniku ewolucji.


• Za rozwój i funkcjonowanie organizmów żywych odpowiadają makrocząsteczki niespotykane w świecie nieożywionym (kwasy nukleinowe, peptydy, enzymy, hormony, elementy błon komórkowych).


• Systemy żywe dysponują rozmaitymi mechanizmami sterującymi i regulacyjnymi, w tym mechanizmami wielokrotnych sprzężeń zwrotnych utrzymujących homeostazę systemu. Mechanizmy takie są obce przyrodzie nieożywionej.


• Organizmy są złożonymi, uporządkowanymi systemami, cechuje je wyraźna hierarcha struktury i funkcji.


• Organizmy są systemami zaprogramowanymi na aktywność teleonomiczną (ukierunkowaną na cel), poprzez mechanizmy doboru naturalnego przystosowują się do środowiska.


• Zakres wielkości organizmów jest ograniczony.


• Organizmy cechuje zazwyczaj obecność faz cyklu życiowego; jest to szczególnie wyraźne u form rozmnażających się płciowo.


• Organizmy są systemami otwartymi przez co nie podlegają ograniczeniom wynikającym z drugiego prawa dynamiki.*

Dzięki powyższym cechom organizmy wykazują zdolności, których nie posiadają systemy nieożywione, mianowicie zdolność: ewoluowania, samoodtwarzania się, wzrostu i różnicowania się zgodnie z programem genetycznym, metabolizmu, samoregulacji, reagowania na bodźce, zmian na poziomie fenotypu i genotypu.

Myślę, że te nieco przewrotne rozważania warto zakończyć zdaniem służącym za swoiste motto: „(...) cała nasza wiedza i teoria ewolucji zaczyna się dopiero od potomków pierwszej komórki. Nie jesteśmy w stanie wyjaśnić, jak ona powstała.” **

Ideą podstawową nauki o powstaniu życia – protobiologii - jest ewolucyjne kształtowanie się pierwszych żywych istot z materii nieożywionej. W podstawowym ujęciu za ewolucją chemiczną przemawiają następujące fakty, przesłanki:

• przeniesienie darwinowskiej koncepcji ewolucji na świat nieożywiony;


• założenie, że atmosfera, środowisko pierwotne Ziemi miały skrajnie odmienny charakter niż obecnie;


• hipoteza, według której pierwsze organizmy były heterotrofami;


• jedność biochemiczna istot żywych;


• eksperymentalne próby otrzymania substancji biologicznie istotnych drogą abiogenną w warunkach imitujących warunki pierwotnej Ziemi;


• dane kosmochemiczne o powszechności pierwiastków biogennych;


• dane paleobiochemiczne.

Przy omawianiu wszelkich zagadnień ewolucyjnych, w tym biogenezy, szczególną trudność sprawia ogarnięcie umysłem ogromnych jednostek czasowych stosowanych przy omawianiu dziejów naszej żyjącej planety. W 1654 r. (wg innych źródeł w 1650 r.) anglikański biskup Armagh (Irlandia), James Ussher, stwierdził, na podstawie żmudnej analizy przekazów biblijnych, że „(...) Ziemia została stworzona 25 października o godzinie 9 rano, w roku 4004 przed narodzeniem Jezusa Chrystusa.” Ujmując delikatnie, biskup dał się ponieść wyobraźni...Nasz świat jest starszy niż słowo, wręcz sędziwy.

________________

* Druga zasada termodynamiki dotyczy zmian entropii. W uproszczeniu jej sens można ująć następująco: "W układzie zamkniętym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje".

** „Świat Nauki”, styczeń 1998.

Zwykle, by ułatwić zorientowanie się w otchłani czasu, stosuje się barwne porównania:

a) przyjmując, że dzieje Ziemi odpowiadają ostatniemu tysiącleciu, wówczas* :

• 1000 r. – powstanie Ziemi


• 1173 r. – początki życia


• 1543 r. – pierwsze organizmy z jądrem komórkowym (Eukaryota)


• 1843 r. – pierwsze zwierzęta


• 1891 r. – pierwsze rośliny


• lata 50-te do połowy lat 80-tych XX w. – czas dinozaurów


• połowa grudnia 1999 r. – wczesne formy Homo


• ok. 22 grudnia 1999 r. – pojawienie się człowieka współczesnego

b) załóżmy, że od powstania Wszechświata do chwili obecnej minął rok, wówczas** :

• 1 stycznia godz. 0 – Wielki Wybuch


• 13 sierpnia – powstaje Układ Słoneczny, w nim Ziemia


• 13 sierpnia – powstaje Układ Słoneczny, w nim Ziemia


• 19 grudnia – pierwsze kręgowce


• 20 grudnia – pierwsze rośliny lądowe


• 26 grudnia – ssaki


• 31 grudnia godz. 21 45 minut – człowiekowate


• 31 grudnia godz. 23 46 minut – człowiek opanowuje ogień


• 31 grudnia godz. 23 57 minut – neandertalczyk


• 20 grudnia – pierwsze rośliny lądowe


• 31 grudnia godz. 23 59 minut 50 sekund – wzniesienie egipskich piramid


• 31 grudnia godz. 23 59 minut 56 sekund – narodziny Chrystusa.

W istocie powstały dwie zasadnicze koncepcje biogenezy***, mianowicie: kreacjonizm (postulował nadprzyrodzone stworzenie pierwszych organizmów; in. życie i świat są dziełem ingerencji Siły Wyższej) i autogonia (pogląd zakładający spontaniczne powstawanie organizmów z materii nieożywionej; dopuszcza więc naturalne samorództwo). Autogonia w swych coraz to nowych postaciach, o stale zmniejszającym się zakresie wiarygodności**** przetrwała do XIX stulecia, kiedy jej zasadność obalił ostatecznie L. Pasteur. Natomiast kreacjonizm został usunięty na margines (poza?) obręb oficjalnej nauki w wyniku rozwoju ewolucjonizmu. Jeszcze całkiem niedawno poważnie rozpatrywano możliwość istnienia życia na Marsie, kwestia ta zresztą wciąż pozostaje nierozstrzygnięta.

By zilustrować rozwój wiedzy z zakresu ewentualnej kosmobiologii przytoczę cytat pochodzący wszak z całkiem niedawnych opracowań: „Jeżeli zgodzimy się, że najbardziej zadowalającym wytłumaczeniem istnienia ciemnych plam na Marsie jest przypisanie im natury organicznej (roślinnej), możemy już zacząć rozważania nad rodzajem tej roślinności. Najwytrzymalszymi roślinami na Ziemi są porosty. (...) To, że ogólny zarys plam jest zgodny z kierunkami stale wiejących wiatrów, można wytłumaczyć tym, że życie rozprzestrzenia się poprzez nasiona czy zarodniki.”***** Porostów raczej na Marsie nie spotkamy, lecz istnienie tam biosfery, nawet szczątkowej, jest nadal przedmiotem sporów i badań; w kierunku Czerwonej Planety mkną kolejne sondy...


__________________

* Za: Praca zbiorowa, Fakty w zasięgu ręki, Warszawa 2003, s.65.

** Za: Praca zbiorowa, Fascynujące dzieje planety Ziemi, Warszawa 2002, s.22-23.

*** Inaczej biopoeza; powstanie życia na Ziemi (ciekawe, że nawet samo pojęcie odnosi się wyłącznie do warunków ziemskich...).

**** M.in. około 1680 r. F. Redi wykazał doświadczalnie, że larwy much nie powstają de novo z rozkładającego się mięsa

*****[w:] M. W. Ovenden, Życie we Wszechświecie, Warszawa 1964, s.42-43.

Inne teorie biogenetyczne:

• Panspermia – wysunięta przez S. Arrheniusa* na początku XX w.; zakłada odwieczny charakter materii żywej. Życie nigdy nie powstawało, ono było od zawsze. Po prostu. Kolejny dogmat. W pierwotnej wersji głoszono, że zarodki życia wędrują w przestrzeni z promieniowaniem świetlnym, a na Ziemię trafiły przypadkowo. W 1978 r. F. Crick i L. Orgel zaproponowali hipotezę tzw. panspermii ukierunkowanej, według której pierwsze organizmy zostały przysłane na nasz glob przez obcą cywilizację.**


• Teoria „przejęcia władzy genetycznej” – A.G. Cairns-Smith, 1982 r.; głosi ona, że protobionty*** były kryształami minerałów ilastych.


• Teoria A.L. Oparina – sformułowana w 1924 r., opublikowana w 1938 r.; obecnie uważa się ja za najpowszechniej akceptowaną teorię biogenezy. Postuluje spontaniczną syntezę prostych aminokwasów i węglowodanów w pierwotnej atmosferze, złożonej (takie założenia po prostu przyjął Oparin!) głównie z pary wodnej /H2O↑/, amoniaku /NH3/ , metanu /CH4/, wodoru i niemal pozbawionej tlenu. Po skropleniu atmosfery powstały ciepłe praoceany, w środowisku tym dochodziło do polimeryzacji aminokwasów w białka.**** W roztworach koloidalnych miały one podlegać agregacji tworząc białka autokatalityczne i kwasy nukleinowe, wreszcie protobionty i pierwsze organizmy.

„Wszystkie żywe istoty mają wiele wspólnego w swojej chemicznej kompozycji, strukturze komórkowej, prawach wzrostu i w swojej wrażliwości na zagrożenia. (...) nie wydaje się niewiarygodne, że zarówno zwierzęta, jak i rośliny mogły rozwinąć się z takiej niskiej i pośredniej formy; jeśli uznamy to za słuszne, to musimy również uznać, że wszystkie organiczne istoty, które kiedykolwiek zamieszkiwały Ziemię, mogą pochodzić od jakiejś jednej pierwotnej formy.”
(K. Darwin, 1858*****)

Aby rozważać każdą teorię dotyczącą powstania życia należy wpierw uporządkować wiedzę dotyczącą warunków panujących na Ziemi u zarania jej dziejów. Przedstawię najważniejsze fakty (słowa „fakty” używam rozumiejąc, że czas i rozwój nauki, będzie je jeszcze starannie modelował...). Przyjmuje się, iż planeta formowała się stosunkowo krótko (okres rzędu 10-100/150mln lat) poprzez spontaniczną tzw. akrekcję planetezymali.****** Było to ok. 5-4,5 mld lat temu. Przypuszczalnie około 4,5 mld lat temu w pierwotną Ziemię uderzył obiekt/planeta rozmiarów Marsa; według jednej z hipotez Księżyc mógł uformować się z pierścienia wyrzuconej wówczas w przestrzeń materii.



________________

* 1859-1927; laureat Nagrody Nobla z elektrochemii.

** Przy okazji wysyłania próbników na księżyc okazało się, że ziemskie bakterie z rodzaju Bacillus (np. B. subtilis) zdołały przetrwać 6 lat na orbicie okołoziemskiej. Uwzględniając ten fakt wizja lądujących na Ziemi bezzałogowych maszyn stworzonych przez obcy intelekt, „skażonych” życiem, nie wydaje się już czczą fantazją.

*** Czyli hipotetyczne, najprymitywniejsze formy życia.

**** Powstał tzw. „bulion pierwotny”, czyli wody wzbogacone chemicznie związkami organicznymi (zwany też „zupą Urey’a”, „zupą Haldane’a”). „Przypuśćmy, że pierwotny ocean miał podobne rozmiary i głębokość jak obecne oceany. Przypuśćmy również, że molekuły organiczne (...) pod nieobecność innych żywych organizmów, które mogłyby je skonsumować, istniały około 10 milionów lat, zanim się rozpadły (...). Wtedy pierwotny ocean jako całość byłby roztworem materii organicznej o stężeniu w najlepszym razie sięgającym 0,1% (co stanowi gęstość bardzo rozwodnionego bulionu wołowego). W niektórych jeziorach, zatokach i płyciznach mogło występować znacznie większe stężenie materii organicznej.”
[w:] C. Sagan, A. Druyan, Cienie zapomnianych przodków, Poznań 2000, s.396.

***** [w:] artykuł zamieszczony w „Proceedings of the Linnaean Society”.

****** Tj. grupowanie się obiektów zbliżonych rozmiarami do obecnych planetoid, po którym materia z najbliższego otoczenia ulegała grawitacyjnemu przechwyceniu.

Przyjęto, że główne siły kształtujące pierwotną atmosferę /praatmosferę/ stanowiły produkty kolizji z meteorytami* /impakty/ oraz intensywny wulkanizm. Wpierw tlen, wodór, węgiel i azot (grupa tzw. pierwiastków biologicznych) uformowały w temperaturze ok.+20ºC (sic!) atmosferę pierwotną złożoną z wodoru, pary wodnej, amoniaku i metanu. Potem powstała atmosfera wtórna obfitująca ponadto w lotne związki węgla i azotu (zwłaszcza CO2, CO, N2), SO2 i kwas solny w ilościach śladowych. Wodór, najlżejszy gaz, uciekał w przestrzeń okołoziemską, a tlen obecny był zwykle w wyższych warstwach atmosfery, w ilości 0,1% (powstawał zwykle w wyniku fotodysocjacji CO2). Blisko powierzchni tlen występował niezmiernie rzadko (tu był produktem fotodysocjacji wody), w stężeniu niemal bilion razy mniejszym (!?) niż w atmosferze. Ubóstwo tlenowe stwarzało cząstkom organicznym większą szanse na powstanie, przetrwanie. Energia, zawsze niezbędna do przebiegu reakcji chemicznych, pochodziła z: promieniowania słonecznego (zwłaszcza UV**), naturalnych procesów radioaktywnych (wtedy dostarczały 3-krotnie więcej energii niż dziś), procesów wulkanicznych i wyładowań elektrycznych.

Wody pierwotnego oceanu /tzw. Wszechocean, Ocean Światowy/ zawierały ogromną ilość rozpuszczonych związków dwuwartościowego żelaza*** oraz krzemionki /SiO2/ wypłukiwanej przez kwaśne deszcze z wietrzejących skał magmowych. Transportowane do mórz produkty atmosferycznych reakcji chemicznych już w drugiej połowie archaiku**** neutralizowały rozpuszczone w oceanach kwasy pochodzenia wulkanicznego – morza stawały się zbiornikami roztworów chlorków. Krzemionka ulegała samoczynnemu wytrąceniu, natomiast „oczyszczanie” wód z żelaza i węglanu wapnia było możliwe dopiero po powstaniu fotoautotrofów. Warto pamiętać, że tlen jest jedynie ubocznym produktem fotosyntezy, swoistą „spaliną”, u zarania dziejów wolny tlen był natychmiast całkowicie zużywany do utleniania żelaza. Powstały wodorotlenek żelaza Fe2(OH)3 sedymentował na dnie; pozostałością są największe złoża rud, tzw. wstęgowane formacje żelaziste.***** Cząstki węglanu wapnia były wychwytywane przez sinice******, tak – w przedziale 2,8-0,6mld lat temu - powstały stromatolity, pierwsze kopalne makroślady życia. Są to swoiste budowle wapienne złożone z żywych pasm sinic rozdzielonych bruzdami wypełnionymi przez osiadający ił (żywe maty kolonii sinic i glonów były wielokrotnie niszczone przez osadzający się wapień, za każdym razem powstawały na nowo, powyżej warstwy osadów). Właśnie rozwojowi stromatolitów prawdopodobnie zawdzięczać należy powstanie atmosfery tlenowej*******; masowy zanik tych konstrukcji wynikał z rozwoju roślinożerców (lub konkretniej pożeraczy). Interesującą teorię tłumaczącą pojawienie się dużych dawek tlenu w ziemskiej atmosferze przedstawiono w roku 2006 (geolog Kennedy M.). Według niej tlen zaczął kumulować w powietrzu po tym, jak lądy pokryły się gliniastą glebą składającą się z minerałów ilastych; reagowały one ze związkami węgla, które wcześniej wiązały się właśnie z tlenem. Wystarczyło kilkadziesiąt milionów lat, aby „pozostawiony” samotnie tlen osiągnął w powietrzu koncentrację wystarczają do utrzymania przy życiu organizmów tkankowych, o dużych potrzebach metabolicznych. Pojawiły się zwierzęta…



________________

* Np. chondryty węglowe, zawierające do 20% wagowych wody, były źródłem pary wodnej.

** Inaczej nadfiolet; długość fali od ok.0,01 do 0,4 µm, promieniowanie odkryte w 1801 r. przez J. Rittera i W.H. Wollastona. Ma dużą aktywność biologiczną, obecnie biosfera chroniona jest przed jego nadmiarem warstwą ozonosfery. Ozon ma największą koncentrację na wysokości ok.22km, absorbuje promieniowanie UV (ogólnie promieniowanie o długości fali poniżej 240nm).

*** Bardzo dobrze rozpuszczają się one w warunkach beztlenowych /redukcyjnych/. Dane szacunkowe: każdy metr sześcienny wody morskiej zawierał wówczas ok.10g czystego żelaza.

**** Zastosowałem podział wg którego archaik obejmuje przedział 4mld-2,5mld lat temu.

***** Inaczej prążkowane formacje żelaziste /BIF/, złoża szacowane na 600bilionów ton. W warunkach wzmożonej produkcji tlenu powstawała warstwa wodorotlenków, przy deficycie tlenu /tym samym dużych ilościach rozpuszczonego CO2/ tworzyła się krzemionka.

****** Ściśle: wbudowywały węglan w otoczki komórek. Do fotosyntezy zużywały CO2 pochodzący z bogato występującego, acz słabo rozpuszczalnego w wodzie, kwaśnego węglanu wapnia Ca(HCO3)2. Produktem tego procesu prócz wody jest trudno rozpuszczalny w wodzie wtórny węglan wapnia CaCO3, czyli wapień.

******* Od około 2mld lat temu następuje powolna transformacja atmosfery beztlenowej w tlenową (ściśle to atmosfera Ziemi była, jest i będzie azotowa...); w okresie wendyjskim (620mln lat temu) poziom tlenu w atmosferze wzrósł z 0,2 do 17%.

W Afryce Południowej i Australii odkryto ślady ropy naftowej i gazu ziemnego sprzed niemal 2mld lat; pozwala to sądzić, że prekambryjskie mikroorganizmy musiały być znacznie liczniejsze niż przypuszczano. Pierwsze wielokomórkowe, co zaskakujące pojawiły się znacznie później. Na podstawie istniejącej dokumentacji paleontologicznej (1999 r.) zakłada się, że jednokomórkowe rozmnażające się płciowo pojawiły się przed około miliardem lat, ewentualnie wcześniej. W 1940 r. w Południowej Australii (wzgórza Ediacara, Góry Flindersa – stąd są to tzw. skamieliny ediakarańskie) odkryto pierwsze przekonujące dowody kopalne na istnienie organizmów złożonych w późnym prekambrze, przed 620mln lat. Zdania na temat tych archaicznych istot są podzielone, a opinie często skrajnie odmienne; niektórzy uważają je za całkowicie wymarłą grupę, swoisty chybiony eksperyment ewolucji, czyli nie są to ani organizmy zwierzęce, ani roślinne. Są też opinie, że przynajmniej niektóre mogły przynależeć do różnych grup bezkręgowców, m.in. wśród fauny Ediacara można umieścić przodków piórówek, stawonogów i pierścienic. Symulacje i próby laboratoryjne fosylizacji sugerują, że ciała przedstawicieli ówczesnej fauny były znacznie sztywniejsze od meduzy; dziś podobne ślady mogłyby zostawić w piaskowcu porosty. Powstanie organizmów wielokomórkowych oraz różnicowanie ich grup przypadło na okres pomiędzy 600mln lat, a miliardem lat wstecz.

O powierzchni planety w tych zamierzchłych czasach nie bardzo można się wiarygodnie wypowiadać, gdyż najwcześniejsza silnie uzasadniona rekonstrukcja sięga ledwie 600mln lat wstecz. Jednak już przed około 4mld lat temu lżejsze krzemianowe skały skorupy mogły wypiętrzać się w wyspy. Na początku wendu (koniec prekambru) północną półkulę niemal w całości zajmował ocean, na południowej rozpościerał się jeden duży kontynent zwany Gondwaną (obejmował dzisiejszą Afrykę, obie Ameryki, części Azji) oraz wolno dryfujące (w cm/rok) niewielkie fragmenty przyszłych kontynentów. Tak więc około 620mln lat temu istniały dwa główne masy lądowe: Gondwana Południowa z Laurencją i znacznie mniejsza Gondwana Północna (Indie, Antarktyda, Australia); obszary obecnie tropikalne, m.in. zachodnia Afryka, część Ameryki Południowej, znajdowały się w pobliżu bieguna południowego, były silnie zlodowacone. Swobodnie można więc uznać ówczesny glob za pokryty lądem z olbrzymim słonym jeziorem lub też za planetę typu oceanicznego z wielką wyspą; wszystko kwestia stosowanej definicji. Pod koniec wendu płyty kontynentalne połączyły się na krótko w superkontynent, zwany Pannocją.

Chyba najpoważniejszym problemem biogenezy jest wyjątkowa niestabilność środowiska pierwotnej Ziemi. W rezultacie częstych impaktów o olbrzymiej sile „(...) rozwój atmosfery i hydrosfery mógł być wielokrotnie przerywany. Największe uderzenia mogły nawet powodować (...) całkowite usunięcie wcześniej rozwiniętej atmosfery i hydrosfery”.* Może właśnie dlatego przeciwnicy monofiletyzmu ukuli pogląd (polifiletyzm) zakładający wielokrotne, niezależne powstanie pierwotnej komórki w historii powstawania życia. Podobieństwa między obecnymi organizmami nie jest tym samym dowodem na wspólne pochodzenie istot, lecz wynika z użycia przez kolejne twory podobnych mechanizmów fizykochemicznych.

Kwestią sporną pozostaje stwierdzenie, gdzie, konkretnie w jakim środowisku, jakich warunkach powstało życie? Czy był to „bulion pierwotny”? Czy praatmosfera targana licznymi burzami i wyładowaniami elektrycznymi? Obrzeża źródeł wulkanicznych na dnie mórz? Każdy pogląd ma zarówno zagorzałych zwolenników jak i upartych antagonistów.

Znamienne, że nowoczesne teorie stanowią tak naprawdę powrót do koncepcji samorództwa, niszczonej opornie przez setki lat. Nowe hipotezy akceptują możliwość i wysokie prawdopodobieństwo samorództwa, ale tylko w warunkach panujących przed miliardami lat na pierwotnej Ziemi. Według Oparina protobionty były koacerwatami** zawierającymi nukleoproteidy, zaś Cairns-Smith twierdzi, że kryształami minerałów ilastych. Przyjęto więc, iż początkowo twory te były zróżnicowane pod względem struktury chemicznej, ale selekcja podczas ich ewolucji wyeliminowała wszystkie z wyjątkiem jednej kategorii. Ta dała początek współczesnym formom ziemskiego życia, co wyjaśnia jego zastanawiająca jedność. Agregaty koloidalne zaczęły współzawodniczyć o substancje wyjściowe w wyniku czego, te o korzystniejszej strukturze szybciej niż inne przyłączały nowe molekuły i dominowały ilościowo nad pozostałymi. Stopniowo powstawały cząsteczki białkowe. I dzięki temu życie jest przede wszystkim białkiem.


________________

* Multimedia: Geografia świata. Budowa i ewolucja Ziemi, Przeźmierowo 1998.

** Koacerwacja – wydzielanie się koacerwatów (in. ciekłe koagulanty) z zolu w postaci kropel zawierających znacznie więcej cząstek koloidowych w porównaniu z pozostałym roztworem. Inaczej: chemicznie jest to rozwarstwienie zolu na dwie części o zróżnicowanym stężeniu cząstek koloidowych. Koacerwaty mogą tworzyć oddzielną warstwę; budują protoplazmę komórek.

Dalsze etapy:

• łączenie aminokwasów w łańcuchy białkowe początkowo zachodziło bez udziału enzymów*;


• białka łącząc się z kwasami nukleinowymi w tzw. „pierwotne agregaty” zyskały zdolność katalizowania syntez podobnych im cząstek już przy udziale enzymów (przyjęto, iż pierwotne enzymy były zsyntetyzowanymi wcześniej białkami);


• wykształcenie selektywnej błony lipoproteidowej wokół cząstek agregatów. Twór taki mógł mieć cechy wirusa** lub swobodnie występującego genu;


• na koniec powstały też układy samoodtwarzające się – „wolne geny” - które różnicowały się i łączyły tworząc heterotrofy.

Możliwe też – hipoteza tzw. ”świata RNA” – że pierwszym, żywym bytem w pierwotnym oceanie była samopowielająca się, katalityczna cząsteczka RNA***; natomiast DNA jest jej późniejszym ewolucyjnym udoskonaleniem, ewentualnie nieprawidłową kopią „której się udało”.**** Czyżby obecna biosfera była wynikiem błędu w powielaniu? Istotnie jedną z konsekwencji jednoniciowej budowy RNA jest to, że cząsteczki tego kwasu mogą przybierać rozmaitą budowę drugorzędową, zależną od sekwencji zasad. Cząsteczki RNA, a dokładnie introny rybosomalnego RNA, same potrafią służyć jako enzymy, tak więc pierwotne cząstki kwasu rybonukleinowego nie potrzebowały białka /polimerazy/ do katalizy kopiowania, były katalizatorami same sobie.***** Tak więc pierwszą „żywą cząsteczką” mogła być replikaza RNA, zdolna do katalizowania swojej własnej replikacji bez udziału białka. Tylko jak powstała replikaza RNA?

Polimeryzacja w rozcieńczonych roztworach jest mało wydajna, wytypowano więc do roli katalizatora przemian w „bulionie” nieorganiczne polifosforany. Ponieważ u zarania dziejów nadfiolet docierał bez przeszkód do powierzchni globu zakłada się często, że biogeneza została zainicjowana w morzach, na znacznych głębokościach (kilkadziesiąt metrów!). Woda morska pochłania promieniowanie UV, warstwa organicznych molekuł na powierzchni wód (o ile istniała) również utrudniała penetrację. Spotkałem się z poglądem według którego powstanie życia jest obecnie niemożliwe, gdyż materia taka zostałaby natychmiast pochłonięta, czy też zaabsorbowana przez istniejące organizmy, co było wszak niemożliwe przed ich powstaniem.



________________

* S.W. Fox jako pierwszy zaobserwował tzw. minisfery, czyli struktury zbliżone do koacerwatów, powstałe z produktów samorzutnej kondensacji aminokwasów (czyli z tzw. protenoidów). Ważne jest to, że minisfery faktycznie wykazują samoistną aktywność enzymatyczną bez dodawania enzymów z zewnątrz. Mogą np. katalizować rozkład glukozy, a także rozkładać nadtlenki i wiązania estrowe. Ich otoczka często jest dwuwarstwowa i przypomina błony komórkowe. Jednak samoorganizacja w mikrosfery zachodzi tylko przy ochładzaniu roztworów wodnych protenoid.

** Jak tu odnieść teorię według której wirusy pochodzą od plazmidów, które nabyły geny na syntezę monomerów kapsydu? Czyli wpierw komórka potem wirion...

*** Pokuszę się tu o przytoczenie cytatu: „O życiu można mówić od momentu, kiedy RNA nauczyło się kodować białka,a te ułatwiać namnażanie i syntezę białek na bazie RNA.” (B. Korzeniewski, Trzy ewolucje).

**** W 1986 r. K. von Kiedrowski zsyntetyzował pierwszą cząstkę zdolną do powielania się bez udziału enzymów. Była to cząstka DNA złożona z 6 nukleotydów, a „jednostkami” z których tworzyły się nowe egzemplarze, były dwie jednoniciowe cząsteczki, każda złożona z 3 nukleotydów, połączone ze sobą końcami. Uzyskano więc tym samym system dziedziczności ograniczonej.

***** Pierwszym, który zwrócił na to uwagę był Walter Gilbert (1981 r.), a także L.E. Orgel, G. Joyce, A.M. Weiner i inni.

Zwykle przyjmuje się, że życie powstało i zróżnicowało się w oceanach wendu (okres prekambru, zakończył się 545mln lat temu).

Osobiście rozbrajają mnie różne pseudonaukowe, naiwne i optymistyczne opisy tych hipotetycznych procesów. Oto przykład do którego każdy może się ustosunkować: „Nieorganiczne prekursory i organiczne produkty ich reakcji tworzyły z wodą morską swoistą zupę, w której pływały również kuleczki tłuszczu. Do ich wnętrza, wskutek gwałtownego mieszania przez wiatr, dostawały się złożone substancje, dające początek komórkom otoczonym przez błony tłuszczowe.”* Czyli powiało, skotłowało i powstało. Siląc się nieco na jakiś komentarz powyższego cytatu wspomnę, iż faktycznie dwuwarstwowe błony lipidowe, podstawa konstrukcji błon biologicznych, powstają spontanicznie, jeśli gwałtownie rozmieszać z wodą kwas tłuszczowy.

Już Darwin rozumiał słabość, chwiejność koncepcji dotyczących biopoezy, w 1871 r. pisał do Josepha Hookera: ”Gdyby (ach! Jakie wielkie gdyby!) można było spowodować, żeby w jakimś ciepłym jeziorku, pełnym wszelkiego rodzaju soli amonowych i fosforowych, światła, ciepła, elektryczności itd., powstał składnik białka, gotowy do dalszych, bardziej złożonych przemian chemicznych.”** Owo „gdyby” pozostaje aktualne...

Do niedawna intrygującą zagadką był fakt zużywania przez praktycznie wszystkie organizmy żywe tylko jednej odmiany substancji chiralnych: „lewych” aminokwasów i „prawych” odmian węglowodanów /cukry/. Pozornie przeczy to prawom statystyki. Doświadczenia wykazały, iż konfiguracje enancjomerów (odmian danego związku) w roztworze ulegają samorzutnym zmianom w rezultacie zmian promieniowania świetlnego i pola magnetycznego. Pierwsze organizmy mogły mieć do dyspozycji większą ilość jednej z odmian związku właśnie dzięki działaniu światła i pola magnetycznego, a ich potomkowie dostosowali się ewolucyjnie do używania wyłącznie tych form. Gdyby wszystko potoczyło się nieco odmiennie bylibyśmy „prawoskrętni”...

Istnieje wiele pytań, wątpliwości nurtujących naukowców; przykładowo skąd w biogenezie formująca się komórka zaczerpnęła długołańcuchowe kwasy tłuszczowe? Nie powstały one w doświadczeniach z zupą pierwotną jak np. powszechnie przytaczany eksperyment S. Millera. Wydaje się, że bardziej prawdopodobne jest tworzenie się tych związków na powierzchniach naładowanych elektrycznie***, lecz teza ta wymaga dowodów eksperymentalnych.

Zachęcam do lektury i przemyśleń, może to właśnie ktoś z Was pozna tajemnicę największego misterium – życia.

________________

* Życie świata. Dzieje i wydarzenia, tom 1 Życie na Ziemi, s.11.

** [w:] C. Sagan, A. Druyan, Cienie zapomnianych przodków., Poznań 2000, s.59.

*** Nie byłaby to więc zupa pierwotna, lecz raczej „pizza pierwotna”

Główne materiały źródłowe:

• Omnia 2001, Novara 2000.


• Encyklopedia multimedialna PWN 2000. Biologia, Warszawa 1999.


• Encyklopedie multimedialne. Encyklopedia Kosmosu, Poznań 1999.


• Geografia świata. Budowa i ewolucja Ziemi, pod red. Borówka K.R., Przeźmierowo 1998.


• Encyklopedia PWN. Biologia – spojrzenie na życie i biosferę, Warszawa 2002.


• Korzeniewski B., Trzy ewolucje. Ewolucja Wszechświata. Ewolucja życia. Ewolucja świadomości, Rzeszów 1996.


• Mayr E., To jest biologia. Nauka o świecie ożywionym, Warszawa 2002.


• Palmer D., Atlas prehistorii, Warszawa 2001.


• Sagan C., Druyan A., Cienie zapomnianych przodków, Poznań 2000.


• Znicz L., Pochodzenie życia na Ziemi, Kraków 1993.


• Praca pod red. Michalik B.M., Kronika Ziemi, Warszawa 1992.


• „Świat Nauki”, styczeń 1998.


• „Wiedza i Życie”, październik 2000.


• Życie świata. Dzieje i wydarzenia, tom 1 Życie na Ziemi.