Porijeklo života

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži

U prirodnim znanostima, abiogeneza ili biopoeza je proces nastanka života na Zemlji iz nežive tvari. Različita je od evolucije, koja se tiče razvoja i promjene već živih organizama tijekom vremena, i od kozmologije, koja se bavi postankom svemira. Aminokiseline, koje u obliku proteina grade živi svijet, sudjeluju i u kemijskim reakcijama koje nisu povezane s živim organizmima. Informaciju o sintezi proteina imaju nukleinske kiseline, i pitanje koja je skupina molekula nastala prva je jedno od ključnih pitanja abiogeneze.

U svakoj abiogenetskoj hipotezi, dva aspekta života moraju se uzeti u obzir: replikacija i metabolizam. Različite hipoteze različito objašnjavaju što se od ovoga prvo pojavilo. Prve hipoteze su smatrale da se metabolizam razvio prvi (Oparinovi koacervati), kasnije su se razvile i hipoteze koje su prednost dale replikaciji.

Danas se smatra da su prve stanice koje su nastale bile prokarioti (kojima nedostaje stanična jezgra) nastale iz probionata (organske molekule koje je okruživala membranska struktura). Najstariji fosili koji izgledom podsjećaju na mikrobe procjenjeni su na 3, 5 miljardi godina starosti, i nastali su otprilike miljardu godina nakon nastanka Zemlje. Istraživanja fosila starih 2, 4 milijarde godina pokazuju da je tada već postojala fotosinteza, te da je život na Zemlji bio vrlo raširen.

Redoslijed događanja koji je doveo do nastanka prvih nukleinskih kiselina nije poznat. Nekoliko je hipoteza o ranom životu na Zemlji, od kojih su najpoznatija željezno-sumporna hipoteza i hipoteza o RNA-svijetu.

Prvotne ideje[uredi VE | uredi]

Hipoteza spontanog nastanka[uredi VE | uredi]

Do ranog 19. stoljeća, ljudi su općenito vjerovali da je život spontano nastao iz nežive tvari. Alternativa tome je bila heterogeneza, vjerovanje da je jedan životni oblik potekao od drugoga. To je zagovarao i Aristotel, koji je smatrao da život nastaje iz propadajuće organske tvari, tako na primjer lisne uši nastaju iz rose koja pada na biljke, mušice iz trule materije, a miševi iz prljavog sijena.

U 17. stoljeću započela je sumnja u ovakve tvrdnje, no otkriće mikroskopa i rad Roberta Hookea i Antoniea van Leewenhoeka i njihovi opisi mikroorganizama išli su u prilog prvotnoj tezi. Mnogi su smatrali da su ovako mali organizmi nesposobni za seksualno razmnožavanje, a aseksualno (diobom) još nije bilo otkriveno. Prvi dokaz protiv hipoteze spontanog nastanka došao je 1668. od Francesca Redija, koji je dokazao da se ličinke mušica ne pojavljuju na mesu ako se mušicama onemogući polaganje jaja. Postupno je dokazano da je hipoteza spontanog nastanka pogrešna. Tada se kao alternativa nametnula biogeneza, hipoteza da je sve živo poteklo iz živoga - omne vivum ex ovo (lat. "svaka živa stvar iz jajeta").

1768. Lazzaro Spallanzani dokazao je da su mikrobi nazočni u zraku, te da ih se može ubiti kuhanjem.

1861. Louis Pasteur je nizom eksperimenata dokazao da bakterije i gljive ne mogu spontano nastati u sterilnom i nutrijentima bogatom mediju.

Pasteur i Darwin[uredi VE | uredi]

Do sredine 19. stoljeća, hipoteza biogeneze prikupila je dovoljno dokaza zbog rada Louisa Pasteura i drugih, da je hipoteza spontanog nastanka uspješno potisnuta. Pasteur je sam naglasio da se "hipoteza spontanog nastanka nikad neće oporaviti od ovog jednostavnog eksperimenta". Pad te hipoteze ostavio je prazninu u znanstvenom odgovoru na pitanje kako je život prvotno nastao.

Charles Darwin je pokušao odgovoriti na ovo pitanje, i predložio da je pod utjecajem svjetla, topline i amonijevih i fosfornih soli došlo do promjene na proteinu.

Prajuha[uredi VE | uredi]

Nikakva se nova istraživanja ili hipoteze nisu pojavljivale do 1924., kada je Aleksandar Oparin zaključio da atmosferski kisik sprječava sintezu određenih organskih molekula koje su nužne za evoluciju života. U njegovoj knjizi "Porijeklo Života", Oparin je predložio da se spontani nastanak života, kojeg je Pasteur napadao, jednom zaista dogodio, ali danas se više ne može zato što su se uvjeti na Zemlji promijenili, a prisutni živi organizmi bi uništili svaki spontano nastali organizam. Oparin je tvrdio da je prajuha organskih molekula mogla nastati u uvjetima atmosfere siromašne kisikom uz djelovanje Sunčevog svjetla. Ove bi se molekule kombinirale dok ne bi formirale koacervatne kapljice. Ove bi kapljice mogle rasti i spajati se s drugim kapljicama, a djeljenjem bi mogle stvarati stanice kćeri, i uz to imati primitivni metabolizam koji bi omogućavao da prežive. Mnoge moderne hipoteze uzimaju Oparinove ideje kao početnu točku.

Trenutni modeli[uredi VE | uredi]

Ne postoji "standardni model" koji bi objašnjavao postanak života. Najviše trenutno prihvaćenih modela posuđuje barem neke dijelove iz prvotne Oparin - Haldanove hipoteze. Unatoč jednakom okviru, postoji širok raspon hipoteza, ali sve one dijele jednake postulate.

  1. Neki biokemičari smatraju da je prvotna Zemljina atmofera bila reducirajuća, sastavljena ponajviše od metana, amonijaka, vode, sumporovodika, ugljikovog dioksida ili monoksida i fosfata. Molekularni kisik i ozon su bili ili rijetki ili nepostojeći.
  2. U takvoj reducirajućoj atmosferi električna bi aktivnost mogla katalizirati sintezu nekih osnovnih biomolekula (monomera) poput aminokiselina. Ova tvrnja je i potvrđena Miller-Ureyevim eksperimentom 1953. godine.
  3. Fosfolipidi dovoljne duljine mogu brzo i spontano oformiti dvosloj lipida, osnovnu komponentu stanične membrane.
  4. Osnovno pitanje abiogeneze je priroda prve samoreplicirajuće molekule. Kako je replikacija kod modernih stanica posljedica suradnje proteina i nukleinskih kiselina, sve se hipoteze mogu smjestiti u dva pravca, onaj koji smatra da su proteini bili prvi, i onaj koji smatra da su nukleinske kiseline bile prve.

Tvrdnja prvog pravca, koji smatra da su prve nastale aminokiseline jest da je polimerizacija nukleotida u nasumične RNA molekule mogla stvoriti samoreplicirajući ribozim. Selekcija je mogla dovesti do ribozima koji bi katalizirali stvaranje peptida, odnosno malih proteina, što bi moglo dovesti do stvaranja RNA-protein kompleksa s još boljom mogućnošću katalize. Prvi ribosom je mogao nastati na takav način, što je moglo dovesti do još brže proteinske sinteze. Sintetizirani proteini su onda mogli pobijediti ribozime u u sposobnosti katalize i postati dominantni biopolimer, dovodeći nukleinske kiseline do njihove moderne uloge nosača genetskih informacija.

Do 2010., nitko nije još sintetizirao protostanicu koristeći komponente za koje se pretpostavlja da su postojale u praatmosferi, a koja bi imala osnovna svojstva žive tvari. Jedan od razloga je što su takvi procesi morali trajati dugi niz godina. Bez takvog dokaza, abiogeneza je još uvijek hipoteza.

Porijetlo organskih molekula[uredi VE | uredi]

Dva su moguća izvora organskih molekula na ranoj Zemlji:

  1. Zemaljskog porijekla: organska sinteza koju je katalizirala ultraljubičasto zračenje, električni izboji ili toplina (npr. Millerovi eksperimenti)
  2. Izvanzemaljskog porijekla: organske molekule su možda došle iz svemira. Neki znanstvenici smatraju da je za vrijeme velikog bombardiranja (period intezivnog padanja svemirskog materijala na Zemlju) prije 3.5 milijardi godina došlo do naglog povećanja količine organskih kemikalija na Zemlji.

Ove dvije ideje međusobno se ne isključuju. Ne postoji razlog da je Zemlja već posjedovala organske kemikalije na svojoj površini, te da naknadno nije dobila dodatnu izvjesnu količinu iz svemira. Štoviše, danas je zbog svemirskih istraživanja sve jasnije da se upravo to i dogodilo.

Hipoteza juhe danas[uredi VE | uredi]

Biokemičar Robert Shapiro sažeo je hipotezu prajuhe na sljedeći način:

  1. Rana Zemlja imala je reducirajuću atmosferu
  2. Ova atmosfera, uz energetske izboje, dala je razne organske molekule (monomere)
  3. Ovi su se spojevi koncentrirali u "juhu" na raznim mjestima (uz obalu, u barama...)
  4. Daljnjom transformacijom nastajali su kompleksni organski polimeri, te na kraju život, u juhi.

O reducirajućoj atmosferi

Je li kombinacija plinova korištena u Miller-Ureyjevom eksperimentu ispravna, tj. odgovara li prvotnoj, upitno je. Znanstveni je čvrsti konsenzus da u praatmosferi nije bilo slobodnog kisika koji bi spriječio nastanak organskih molekula, a istraživanje atmosfere Saturnovog satelita Titana snažno ide u prilog pretpostavkama o prvotnoj atmosferi.

O nastanku monomera

Jedan od najvažnijih dokaza u prilog hipotezi prajuhe došao je 1953. godine. Stanley Miller i njegov profesor Harold Urey izveli su eksperiment kojim je pokazao da su organske molekule mogle nastati spontano iz anorganskih prekursora, pod pretpostavkom da je prvotna atmosfera sadržavala iste spojeve koje su Miller i Urey predvidjeli. Sada poznati "Miller-Ureyjev eksperiment" koristio je reducirajuću mješavinu plinova: metan, amonijak i vodik, od kojih su se formirali osnovni orgnanski monomeri kao što su aminokiseline.

Osim Miller-Ureyjevog pokusa, drugi najvažniji korak u istraživanju abiotičke organske sinteze bio je pokus koji je izveo John Oro. On je, zagrijavajući vodenu otopinu amonijevog cijanida dobio purinsku bazu adenin.

Eksperimenti slični Miller-Ureyevom izvode se do danas, te su pokazali da je u takvim atmosferama moguće sintetizirati niz ostalih organskih molekula. Novija istraživanja starih ampuliranih uzoraka iz originalnog eksperimenta preciznijim analitičkim napravama pokazala su da su sintetizirane i, do tada nemjerljive, ostale organske tvari.

O akumulaciji monomera

Hipoteza prajuhe se još uvijek oslanja na Darwinovu hipotezu da je u okolišu došlo do akumulacije čime su se stvorili uvjeti za kemijsku evoluciju.

O daljnjoj transformaciji

Spontana formacija kompleksnih polimera iz abiotički stvorenih monomera nije jednostavan ni jednosmjeran proces. Osim nužnih osnovnih organskih spojeva, također je potrebno u okolini ne bude spojeva koji bi spriječili nastanak polimera. Za vrijeme Miller-Ureyjevog i Orovog eksperimenta nastali su spojevi koji bi reagirali s aminokiselinama i spriječili stvaranje proteina. Od 1953. godine razvilo se mnoštvo manjih hipoteza o mogućim mehanizmima asocijacije organskih polimera u složenije strukture koje pogoduje nastanku protostanice.

Foxovi experimenti[uredi VE | uredi]

Pedesetih i šezdesetih godina 20. stoljeća, Sidney W. Fox proučavao je spontani nastanak peptidnih struktura za koje je prilično vjerojatno da su postojale u ranoj Zemljinoj prošlosti. Pokazao je da aminokiseline mogu spontano tvoriti male peptide. Ove aminokiseline i proteini mogu formirati male zatvorene kuglaste membrane, tkz. protenoidne membrane, koje pokazuju neke osnovne karakteristike života.