Powstanie życia na ziemi

Od początku naszej cywilizacji ludzie obserwowali świat i ówczesne zjawiska. Nagromadzona wiedza służyła im głownie w celach praktycznych. Jak chodźmy polowanie na zwierzęta czy zbór roślin. W miarę przechodzenia człowieka do osiadłego trybu życia poszerzona został jego wiedza praktyczna i obok celów praktycznych zainteresował się problemami natury ogólnej – swoim pochodzeniem, budową i funkcjonowaniem w otaczającym go świecie. Pierwsze filozoficzne teorie powstały już w starożytności a szczególnie w starożytnej Grecji. Powstały tam różnorodne nurty filozoficzne: materialistyczne, na przykład Demokryta, idealistyczne, na przykładzie Platona, zakładające ciągłe zmienności materii, jak teoria Heraklita lub zmienności i idealne, harmonijne zrównoważenie otaczającego świata, jak teoria Parmenidesa
Życie jest zjawiskiem charakterystycznym dla ziemi, jego rozwój jest procesów historycznego rozwoju naszej planety. Astrofizyczny wiek Ziemi, liczony do momentu wyodrębnienia się jej jako planety wskutek kondensacji obłoku materii otaczającej słońce, oceniany jest na około 5 mld. lat. Około 4,6 mld. lat temu, po znacznym spadku temperatury na powierzchni kondensującego się obłoku materii, wytworzyła się pierwotna skorupa ziemska; Momot jej powstania uznaję się za początek geologicznego wieku Ziemi. Zachodziły wtedy określone procesy fizyczne i chemiczne prowadzące między innymi do; przemian ówczesnej atmosfery , stygnięcia skał magmowych na powierzchni, wietrzenia tych skał, powstawania pierwszych skał osadowych, zjawisk wulkanicznych, skraplania pary wodnej i powstania praoceanu, a także do wieloetapowych, skomplikowanych procesów chemicznych, które w ramach biogenezy doprowadziły do powstania życia na Ziemi.
Włoch Redi w 1688 wykazał, że larwy much nie powstają spontanicznie z gnijącego mięsa, ale z jaj składanych w mięsie przez muchy. Redi obalił teorie Arystotelesa, ze żaby powstają z mułu, a myszy z brudnych szmat czyli teorię samorództwa. Hipoteza samorództwa, głosząca możliwość powstawania żywych organizmów z substancji martwej, nadal była jednak żywa, gdyż opierała się na powszechnie dostępnych obserwacji gnicia i fermentacji martwych substancji organicznych. Zwolennikiem takiego poglądu był słynny biolog francuski Guffon (1745-1749).
Jednakże udoskonalenie mikroskopu i odkrycie świata drobnoustrojów, do czego przyczynił się zwłaszcza Holender Antoni Leeuwenhoek, który opisał m. in. Wiele bakterii i pierwotniaków spowodowało odrodzenie się hipotezy samorództwa w nowej postaci.
W miarę postępu badań nad bakteriami i pierwotniakami stwierdzono, że zjawiają się one w pożywkach, gdzie przedtem nie można było dostrzec żadnych ich śladów.
Przez całe stulecia uczeni spierali się o to, czy samorzutnie powstawanie bakterii z ciał martwych jest możliwe, czy też nie. Wielu uczonych wypowiedziało się za możliwością samorzutnego powstawania prymitywnych istot żywych z ciał martwych, wielu też było przeciwników tego poglądu. W okresie tym badacze próbowali już jednak rozstrzygnąć spór o samorództwo także w oparciu o doświadczenia.
W sprawie samorództwa wypowiedział się także w początkach XIX w. nasz wielki rodak, Jędrzej Śniadecki, który był za czasów swej m młodości słuchaczem wykładów Spallanzaniego we Włoszech. Był on przeciwnikiem koncepcji samorództwa bakterii, głownie dlatego, że jej zwolennicy głosili konieczność udziału niepoznawalnej siły życiowej w powstawaniu bakterii z ciał martwych. Śniadecki zaś nie był zwolennikiem takich poglądów, określanych mianem witalizmu.
Tak więc spór o samorództwo bakterii i innych drobnoustrojów, zapoczątkowany w XVII wieku, nie został rozstrzygnięty aż do połowy XIX w. Nie ma on zresztą zasadniczego znaczenia dla sprawy poglądów na powstawania życia na Ziemi. Panowało wówczas całkowite stanowisko kreacjonistyczne, polewgajace na uznaniu jednorazowego stworzenia świata żywych istot przez siły wyższe. Stanowisku temu hałdował także najwybitniejszy przyrodnik XVIII w. Karol Linneusz, który wierzył w biblijna wersję stworzenia świata.
W XVIII w Charles Bonet, biolog francuski, głosił pogląd, że granicy między materią ożywioną a nieożywioną w istocie nie ma, istnieje natomiast ciągłość form od prostych kryształów soli aż do Boga. Bonet uważał na przykład azbest-minerał, którego włókna przypominały naczynia w łodygach roślin-za formę pośrednią między minerałami a roślinami. Wiemy jednak, ze ideologia ta była myląca.
W 1769 r. Spallanzami wykazał, że po odpowiednim nagrzaniu i natychmiastowym zatopieniu w naczyniach szklanych substancja nie podlega gniciu i fermentacji, które rozpoczynają się dopiero po otwarciu naczyń. Zwolennicy samorództwa wysunęli jednak zastrzeżenia twierdząc, że usunięcie powietrza może uniemożliwić powstawanie drobnoustrojów.
W XIX w. wielkim zwolennikiem samorództwa bakterii był francuski uczony Pouchet. Wobec tego, że inni badacze zaprzeczali możliwości samorództwa, Akademia Nauk we Francji ogłosiła w roku 1862 konkurs na temat „Spróbowania, za pomocą dobrze wykonanych doświadczeń rzucić nowe światło na kwestię rodzenia się organizmów z materii martwej. Nagrodę w tym konkursie uzyskał chemik francuski Ludwik Pasteur. Wykonał on bardzo proste doświadczenie, wykazując niezbicie, że bakterie nie mogą samorzutnie powstawać z ciał martwych. W specjalnych kolebkach, z których wcześniej usunął powietrze, umieścił pożywki wyjałowione, w których stwierdzono brak jakichkolwiek bakterii. Jedne z tych kolb pozostawiał otwarte, tak że powietrze miało do nich dostęp, inne natomiast zatykał korkiem z waty, które filtrowały powietrze. Obecność powietrza kolbach uważał Pasteur za konieczną po to m. in., aby zwolennikom samorództwa, którzy twierdzili, że powietrze niezbędne jest do powstawania żywych istot, wtrącić jeden z używanych przez nich argumentów w sporze z przeciwnikami tej hipotezy. Pasteur stwierdził, ze w kolbach gdzie przez filtry dochodziło powietrze, bakterie nie pojawiły się. Pasteur rozpoczął poszukiwania i wykazał, ze w powietrzu i na wszystkich przedmiotach, które nas otaczają, znajdują się liczne zarodniki bakterii. Gdy znajdują się one w odpowiedniej pożywce, mogą rozwijać się i rozmnażać.
Zgodnie z koncepcjami Oparina i Aldona 1924r., uzupełnionymi następnie przez wielu badaczy, do zapoczątkowania biogenezy niezbędna była silnie zredukowana beztlenowa atmosfera i swobodny dopływ energii. W obecności metanu, amoniak, wodoru, dwutlenku węgla, azotu, wodoru i soli (takich jak siarczki i fosforany), a także w temperaturze i przy ciśnieniu w granicach fizjologicznych oraz przy dostępie energii w postaci: promieni ultrafioletowych, wyładowań atmosferycznych, aktywności wulkanów i rozpadu pierwiastków promieniotwórczych oraz energii uwalnianej przy rozbijaniu się meteorytów, zaczęła zachodzić abiotyczna synteza prostych związków organicznych. Potwierdziły to liczne doświadczenia laboratoryjne, które dowiodły, że podstawowe składniki ówczesnej atmosfery po ich łączeniu i tworzeniu różnych kombinacji doprowadziły do tworzenia prostych białek.
W 1953 r. Stanley Miller stworzył model prehistorycznej "atmosfery" Ziemi: naczynia wypełnionego wodą, nad którą unosiła się mieszanina gazów takich jak metan i amoniak. Miller przepuszczał przez mieszaninę prąd, wywołując sztuczne błyskawice. Po kilku dniach woda w naczyniu zmętniała - pojawiły się w niej aminokwasy, czyli elementy składowe białek. Późniejsze eksperymenty wykazały, że w takich warunkach mogły utworzyć się również inne ważne cząsteczki: cukry, DNA i RNA. Bez jakiejkolwiek pomocy z zewnątrz mogły więc powstać w ziemskim praoceanie pierwsze organizmy żywe. Szanse powstania w ten sposób najprostsze form życia jest mała. Trzeba jednak pamiętać że cały ten proces trwała miliony lat, a gdy już powstały cząsteczki samopowielające się, sprawa przestał być tylko kwestia przypadku. Zaczaił wtedy działać proces doboru naturalnego, dzięki któremu utrwalały się zmiany korzystne. Te cząsteczki które potrafiły wyprodukować wiele swoich dokładnych kopii, uzyskiwały dostęp do większości surowców i miały największą szanse przetrwania.
Pewni możemy być tylko tego, że najwcześniejsze formy życia czerpały potrzebną im energię występujących w ich środowisku związków chemicznych. Jednak z upływem milionów lat zasoby tych związków były coraz szczuplejsze. Forma życia, która potrafiłaby wykorzystać inne źródła energii, zyskałyby znaczną przewagę nad innymi. W latach 50 XX wieku geologowie odkryli mikroskopijne formy w skałach przed ponad 3 milionów lat. Formy te były bardzo podobne do organizmów żyjących na Ziemi i dziś. Były to skamieniałości bakterii, w tym również bakterii zwanych sinicami lub cyjanobakteriami. Jeśli bakterie te rzeczywiście funkcjonowały tak jak dzisiejsze cyjanobakterie, to potrafiły uzyskiwać potrzebną im energię z fotosyntezy.
Krokiem naprzód w ewolucji życia była umiejętność wykorzystywania energii słonecznej w procesach życiowych. Fotosyntezaaaalegała na przekształceniu energii światła słonecznego w energię chemiczną, która może być wykorzystana przez organizm. Dwutlenek węgla łączy się z wodą, w wyniku czego powstaje glikoza-prosty cukier. Produktem tego procesu jest także tlen.
Lamarck uważał, że istnieje wewnętrzna siła powodująca samorzutne powstawanie organizmów z elementarnych składników organicznych. Organizmy pod wpływem tej samej siły ulęgają następnie coraz większemu komplikowaniu. Lamarck sądził, że życie powstaje w ten sposób nieustannie z różnych substancji pochodzących z rozkładu organizmów obumarłych. Tego rodzaju wiara w samorództwo była wówczas szeroko rozpowszechniona, a podważyły ją dopiero proste i przekonujące doświadczenia L. Pasteura.
Choć obecnie najważniejszym źródłem wiedzy o historii życia są badania genetyczne współcześnie żyjących organizmów, historycznie głównym źródłem wiedzy o historii życia były skamieniałości. Jedną z najważniejszych zalet skamieniałości jest możliwość precyzyjnego określenia bezwzględnego wieku skamieniałych organizmów na podstawie wieku warstwy osadowej w której zostały znalezione. Drugą jest możliwość badania organizmów, które nie mają żadnych współcześnie żyjących potomków, tak jak np. wiele grup dinozaurów.
Tu niestety kończą się zalety i zaczyna się długa lista wad:
-Skamieniałości jest bardzo niewiele. Typową sytuacją jest posiadanie jedynie kilku niekompletnych szkieletów dla całej dużej grupy zwierząt.
-Skamieniałości dostarczają bardzo niewielkiej ilości informacji, praktycznie wyłącznie o kształcie organizmu. Na tej podstawie można lepiej lub gorzej odtworzyć wiele innych cech, np. o trybie życia, jednak uzyskanie wielu informacji pozostaje zupełnie niemożliwe tą metodą.
-Ponieważ jedyne co znamy to szkielet bądź jego fragmenty, wiele zmian będzie niezauważonych.
-Ewolucja organizmów jednokomórkowych nie pozostawiła praktycznie żadnego śladu w skamieniałościach.
Alternatywną teorią jest hipoteza panspermii, według której życie przybyło na Ziemię z kosmosu w postaci unoszących się w przestrzeni kosmicznej przetrwalników bakterii. Wiemy, że przetrwalniki potrafią przetrwać w bardzo rozrzedzonej atmosferze na wysokości kilkudziesięciu kilometrów, i że dość niewielkie ilości skały w bardzo dużym stopniu ograniczają negatywne skutki występującego w przestrzeni kosmicznej promieniowania na ich kod genetyczny. Tak więc mogłyby one teoretycznie przenosić się np. w meteorytach i ożywić w korzystnych warunkach na innej planecie. Teoria panspermii jest jednak obecnie niezbyt popularna, gdyż potrafimy odtworzyć historię życia daleko poza fazę wczesnej komórki bakteryjnej, których to etapów panspermia nie wyjaśnia. Panspermia próbuje wyjaśnić jedynie powstanie życia na Ziemi, nie życia jako takiego – trudne problemy zostają jedynie przeniesione na inną planetę.
Być może nigdy nie dowiemy się jak powstało życie na Ziemi, ale to nie przeszkadza nam zastanawiać się nad różnymi możliwymi scenariuszami. Wielu ludzi wierzy że cos takiego jak życie musiało zostać stworzone przez wszechpotężna nadrzędna istotę. Tego poglądu nie da się jednak analizować na gruncie nauki. Niektórzy sądzą, że życie nie powstało na Ziemi, lecz przybyło ono z przestrzeni kosmicznej w postaci bakterii czy wirusów przyniesionych przez meteoryty. Ale jeśli życie nie zaczęło się na Ziemi, to nadal musimy sobie odpowiedzieć na to pytanie: w jaki sposób powstało gdzie indziej? Zbliżenie się do tej zagadki jest bardzo t