Αβιογένεση

Ιστορία των μελετών για την προέλευση της ζωής

Αυθόρμητη παραγωγή

Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα πολλοί άνθρωποι πίστευαν στην κανονική αυθόρμητη δημιουργία ζωής από μη ζωντανή ύλη. Αυτό ονομάστηκε αυθόρμητη γένεση και διαψεύστηκε από τον Λουί Παστέρ. Έδειξε ότι χωρίς σπόρια δεν αναπτύσσονται βακτήρια ή ιοί σε αποστειρωμένο υλικό.

Darwin

Σε μια επιστολή του προς τον Joseph Dalton Hooker στις 11 Φεβρουαρίου 1871, ο Κάρολος Δαρβίνος πρότεινε μια φυσική διαδικασία για την προέλευση της ζωής.

Πρότεινε ότι η αρχική σπίθα της ζωής μπορεί να ξεκίνησε σε μια "ζεστή μικρή λίμνη, με όλα τα είδη αμμωνίας και φωσφορικών αλάτων, φώτα, θερμότητα, ηλεκτρισμό κ.λπ. Στη συνέχεια σχηματίστηκε χημικά μια πρωτεϊνική ένωση έτοιμη να υποστεί ακόμα πιο πολύπλοκες αλλαγές". Συνέχισε εξηγώντας ότι "σήμερα μια τέτοια ύλη θα καταβροχθίζονταν ή θα απορροφούνταν αμέσως, κάτι που δεν θα συνέβαινε πριν από τη δημιουργία των ζωντανών οργανισμών".

Haldane και Oparin

Καμία πραγματική πρόοδος δεν σημειώθηκε μέχρι το 1924, όταν ο Alexander Oparin σκέφτηκε ότι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο εμπόδιζε τη σύνθεση των οργανικών μορίων. Τα οργανικά μόρια είναι τα απαραίτητα δομικά στοιχεία για την εξέλιξη της ζωής. Στο έργο του The Origin of Life (Η προέλευση της ζωής), ο Oparin υποστήριξε ότι μια "αρχέγονη σούπα" οργανικών μορίων θα μπορούσε να δημιουργηθεί σε μια ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο μέσω της δράσης του ηλιακού φωτός. Αυτά θα συνδυάζονταν με όλο και πιο πολύπλοκους τρόπους μέχρι να σχηματίσουν σταγονίδια. Αυτά τα σταγονίδια θα "μεγάλωναν" μέσω της σύντηξης με άλλα σταγονίδια, και θα "αναπαράγονταν" μέσω της σχάσης σε θυγατρικά σταγονίδια, και έτσι θα είχαν έναν πρωτόγονο μεταβολισμό στον οποίο θα επιβίωναν οι παράγοντες που προάγουν την "κυτταρική ακεραιότητα", ενώ όσοι δεν επιβιώνουν θα εξαφανίζονταν. Πολλές σύγχρονες θεωρίες για την προέλευση της ζωής εξακολουθούν να έχουν ως αφετηρία τις ιδέες του Oparin.

Περίπου την ίδια εποχή ο J.B.S. Haldane πρότεινε επίσης ότι οι προ-βιοτικοί ωκεανοί της Γης, οι οποίοι ήταν πολύ διαφορετικοί από τους σημερινούς ωκεανούς, θα σχημάτιζαν μια "θερμή αραιή σούπα". Σε αυτή τη σούπα θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί οργανικές ενώσεις, τα δομικά στοιχεία της ζωής. Η ιδέα αυτή ονομάστηκε βιοποίηση, η διαδικασία της εξέλιξης της ζωντανής ύλης από αυτοαναπαραγόμενα αλλά μη ζωντανά μόρια.

Alexander Oparin (δεξιά) στο εργαστήριο

Ιστορία των μελετών για την προέλευση της ζωής

Αυθόρμητη παραγωγή

Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα πολλοί άνθρωποι πίστευαν στην κανονική αυθόρμητη δημιουργία ζωής από μη ζωντανή ύλη. Αυτό ονομάστηκε αυθόρμητη γένεση και διαψεύστηκε από τον Λουί Παστέρ. Έδειξε ότι χωρίς σπόρια δεν αναπτύσσονται βακτήρια ή ιοί σε αποστειρωμένο υλικό.

Darwin

Σε μια επιστολή του προς τον Joseph Dalton Hooker στις 11 Φεβρουαρίου 1871, ο Κάρολος Δαρβίνος πρότεινε μια φυσική διαδικασία για την προέλευση της ζωής.

Πρότεινε ότι η αρχική σπίθα της ζωής μπορεί να ξεκίνησε σε μια "ζεστή μικρή λίμνη, με όλα τα είδη αμμωνίας και φωσφορικών αλάτων, φώτα, θερμότητα, ηλεκτρισμό κ.λπ. Στη συνέχεια σχηματίστηκε χημικά μια πρωτεϊνική ένωση έτοιμη να υποστεί ακόμα πιο πολύπλοκες αλλαγές". Συνέχισε εξηγώντας ότι "σήμερα μια τέτοια ύλη θα καταβροχθίζονταν ή θα απορροφούνταν αμέσως, πράγμα που δεν θα συνέβαινε πριν από τη δημιουργία των ζωντανών οργανισμών".

Haldane και Oparin

Καμία πραγματική πρόοδος δεν σημειώθηκε μέχρι το 1924, όταν ο Αλεξάντερ Οπάριν συμπέρανε ότι το ατμοσφαιρικό οξυγόνο εμπόδιζε τη σύνθεση των οργανικών μορίων. Τα οργανικά μόρια είναι τα απαραίτητα δομικά στοιχεία για την εξέλιξη της ζωής. Στο έργο του The Origin of Life (Η προέλευση της ζωής), ο Oparin υποστήριξε ότι μια "αρχέγονη σούπα" οργανικών μορίων θα μπορούσε να δημιουργηθεί σε μια ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο μέσω της δράσης του ηλιακού φωτός. Αυτά θα συνδυάζονταν με όλο και πιο πολύπλοκους τρόπους μέχρι να σχηματίσουν σταγονίδια. Αυτά τα σταγονίδια θα "μεγάλωναν" μέσω της σύντηξης με άλλα σταγονίδια, και θα "αναπαράγονταν" μέσω της σχάσης σε θυγατρικά σταγονίδια, και έτσι θα είχαν έναν πρωτόγονο μεταβολισμό στον οποίο θα επιβίωναν οι παράγοντες που προάγουν την "κυτταρική ακεραιότητα", ενώ όσοι δεν επιβιώνουν θα εξαφανίζονταν. Πολλές σύγχρονες θεωρίες για την προέλευση της ζωής εξακολουθούν να έχουν ως αφετηρία τις ιδέες του Oparin.

Περίπου την ίδια εποχή ο J.B.S. Haldane πρότεινε επίσης ότι οι προ-βιοτικοί ωκεανοί της Γης, οι οποίοι ήταν πολύ διαφορετικοί από τους σημερινούς ωκεανούς, θα σχημάτιζαν μια "θερμή αραιή σούπα". Σε αυτή τη σούπα θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί οργανικές ενώσεις, τα δομικά στοιχεία της ζωής. Η ιδέα αυτή ονομάστηκε βιοποίηση, η διαδικασία της εξέλιξης της ζωντανής ύλης από αυτοαναπαραγόμενα αλλά μη ζωντανά μόρια.

Πρώιμες συνθήκες στη Γη

Δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου γεωλογικά αρχεία πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Το περιβάλλον που υπήρχε στην εποχή του Χαδέα ήταν εχθρικό για τη ζωή, αλλά δεν είναι γνωστό πόσο. Υπήρξε μια περίοδος, μεταξύ 3,8 και 4,1 δισεκατομμυρίων ετών πριν, η οποία είναι γνωστή ως ο Ύστερος Βαρύς Βομβαρδισμός. Ονομάστηκε έτσι επειδή πολλοί σεληνιακοί κρατήρες πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν τότε. Η κατάσταση σε άλλους πλανήτες, όπως η Γη, η Αφροδίτη, ο Ερμής και ο Άρης, πρέπει να ήταν παρόμοια. Αυτές οι συγκρούσεις πιθανόν να αποστείρωναν τη Γη (να σκότωναν όλη τη ζωή), αν υπήρχε εκείνη την εποχή.

Αρκετοί άνθρωποι έχουν προτείνει ότι οι χημικές ουσίες στο κύτταρο δίνουν ενδείξεις για το πώς πρέπει να ήταν οι πρώτες θάλασσες. Το 1926, ο Macallum παρατήρησε ότι η ανόργανη σύνθεση του κυτταροσολίου του κυττάρου διαφέρει δραματικά από εκείνη του σύγχρονου θαλασσινού νερού: "το κύτταρο... έχει προικισμένα στοιχεία που μεταφέρθηκαν από ένα παρελθόν σχεδόν τόσο μακρινό όσο και η προέλευση της ζωής στη γη". Για παράδειγμα: "Το κύτταρο έχει ένα πολύ μεγάλο μέρος της ζωής του: "Όλα τα κύτταρα περιέχουν πολύ περισσότερο κάλιο, φωσφορικά άλατα και μέταλλα μετάπτωσης από ό,τι οι σύγχρονοι ... ωκεανοί, λίμνες ή ποτάμια". "Κάτω από την ανοξική, ₂κυριαρχούμενη από CO αρχέγονη ατμόσφαιρα, η χημεία των εσωτερικών λεκανών στα γεωθερμικά πεδία θα [ήταν παρόμοια με τη χημεία στο εσωτερικό] των σύγχρονων κυττάρων".

Θερμοκρασία

Αν η ζωή εξελίχθηκε στα βάθη του ωκεανού, κοντά σε μια υδροθερμική έξοδο, θα μπορούσε να έχει δημιουργηθεί ήδη πριν από 4 έως 4,2 δισεκατομμύρια χρόνια. Αν, από την άλλη πλευρά, η ζωή προήλθε από την επιφάνεια του πλανήτη, μια κοινή άποψη είναι ότι θα μπορούσε να έχει προέλθει μόνο μεταξύ 3,5 και 4 δισεκατομμυρίων ετών.

Οι Lazcano και Miller (1994) προτείνουν ότι ο ρυθμός της μοριακής εξέλιξης υπαγορεύεται από τον ρυθμό ανακυκλοφορίας του νερού μέσω των υποθαλάσσιων φρεατίων του μέσου ωκεανού. Η πλήρης ανακυκλοφορία διαρκεί 10 εκατομμύρια χρόνια, οπότε οι όποιες οργανικές ενώσεις είχαν παραχθεί μέχρι τότε θα αλλοιώνονταν ή θα καταστρέφονταν από τις θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 300 °C. Εκτιμούν ότι η ανάπτυξη ενός γονιδιώματος 100 χιλιοβάσεων ενός αρχέγονου ετερότροφου DNA/πρωτεΐνης σε ένα νηματοειδές κυανοβακτήριο 7000 γονιδίων θα απαιτούσε μόνο 7 εκατομμύρια χρόνια.

Ιστορία της γήινης ατμόσφαιρας

Αρχικά, η ατμόσφαιρα της Γης δεν είχε σχεδόν καθόλου ελεύθερο οξυγόνο. Σταδιακά μετατράπηκε σε αυτό που είναι σήμερα, σε πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα (βλέπε Μεγάλο Γεγονός Οξυγόνωσης). Η διαδικασία ξεκίνησε με τα κυανοβακτήρια. Ήταν οι πρώτοι οργανισμοί που παρήγαγαν ελεύθερο οξυγόνο με φωτοσύνθεση. Οι περισσότεροι οργανισμοί σήμερα χρειάζονται οξυγόνο για το μεταβολισμό τους- μόνο λίγοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν άλλες πηγές για την αναπνοή.

Αναμένεται λοιπόν ότι οι πρώτοι πρωτοοργανισμοί ήταν χημειοαυτότροφοι και δεν χρησιμοποιούσαν την αερόβια αναπνοή. Ήταν αναερόβιοι.

Πρώιμες συνθήκες στη Γη

Δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου γεωλογικά αρχεία πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Το περιβάλλον που υπήρχε στην εποχή του Χαδέα ήταν εχθρικό για τη ζωή, αλλά δεν είναι γνωστό πόσο. Υπήρξε μια περίοδος, μεταξύ 3,8 και 4,1 δισεκατομμυρίων ετών πριν, η οποία είναι γνωστή ως ο Ύστερος Βαρύς Βομβαρδισμός. Ονομάστηκε έτσι επειδή πολλοί σεληνιακοί κρατήρες πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν τότε. Η κατάσταση σε άλλους πλανήτες, όπως η Γη, η Αφροδίτη, ο Ερμής και ο Άρης, πρέπει να ήταν παρόμοια. Αυτές οι συγκρούσεις πιθανόν να αποστείρωναν τη Γη (να σκότωναν όλη τη ζωή), αν υπήρχε εκείνη την εποχή.

Αρκετοί άνθρωποι έχουν προτείνει ότι οι χημικές ουσίες στο κύτταρο δίνουν ενδείξεις για το πώς πρέπει να ήταν οι πρώτες θάλασσες. Το 1926, ο Macallum παρατήρησε ότι η ανόργανη σύνθεση του κυτταροσολίου του κυττάρου διαφέρει δραματικά από εκείνη του σύγχρονου θαλασσινού νερού: "το κύτταρο... έχει προικισμένα στοιχεία που μεταφέρθηκαν από ένα παρελθόν σχεδόν τόσο μακρινό όσο και η προέλευση της ζωής στη γη". Για παράδειγμα: "Το κύτταρο έχει ένα πολύ μεγάλο μέρος της ζωής του: "Όλα τα κύτταρα περιέχουν πολύ περισσότερο κάλιο, φωσφορικά άλατα και μέταλλα μετάπτωσης από ό,τι οι σύγχρονοι ... ωκεανοί, λίμνες ή ποτάμια". "Κάτω από την ανοξική, ₂κυριαρχούμενη από CO αρχέγονη ατμόσφαιρα, η χημεία των εσωτερικών λεκανών στα γεωθερμικά πεδία θα [ήταν παρόμοια με τη χημεία στο εσωτερικό] των σύγχρονων κυττάρων".

Θερμοκρασία

Αν η ζωή εξελίχθηκε στα βάθη του ωκεανού, κοντά σε μια υδροθερμική έξοδο, θα μπορούσε να έχει δημιουργηθεί ήδη πριν από 4 έως 4,2 δισεκατομμύρια χρόνια. Αν, από την άλλη πλευρά, η ζωή προήλθε από την επιφάνεια του πλανήτη, μια κοινή άποψη είναι ότι θα μπορούσε να έχει προέλθει μόνο μεταξύ 3,5 και 4 δισεκατομμυρίων ετών.

Οι Lazcano και Miller (1994) προτείνουν ότι ο ρυθμός της μοριακής εξέλιξης υπαγορεύεται από τον ρυθμό ανακυκλοφορίας του νερού μέσω των υποθαλάσσιων φρεατίων του μέσου ωκεανού. Η πλήρης ανακυκλοφορία διαρκεί 10 εκατομμύρια χρόνια, οπότε οι όποιες οργανικές ενώσεις είχαν παραχθεί μέχρι τότε θα αλλοιώνονταν ή θα καταστρέφονταν από τις θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 300 °C. Εκτιμούν ότι η ανάπτυξη ενός γονιδιώματος 100 χιλιοβάσεων ενός αρχέγονου ετερότροφου DNA/πρωτεΐνης σε ένα νηματοειδές κυανοβακτήριο 7000 γονιδίων θα απαιτούσε μόνο 7 εκατομμύρια χρόνια.

Ιστορία της γήινης ατμόσφαιρας

Αρχικά, η ατμόσφαιρα της Γης δεν είχε σχεδόν καθόλου ελεύθερο οξυγόνο. Σταδιακά μετατράπηκε σε αυτό που είναι σήμερα, σε πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα (βλέπε Μεγάλο Γεγονός Οξυγόνωσης). Η διαδικασία ξεκίνησε με τα κυανοβακτήρια. Ήταν οι πρώτοι οργανισμοί που παρήγαγαν ελεύθερο οξυγόνο με φωτοσύνθεση. Οι περισσότεροι οργανισμοί σήμερα χρειάζονται οξυγόνο για το μεταβολισμό τους- μόνο λίγοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν άλλες πηγές για την αναπνοή.

Αναμένεται λοιπόν ότι οι πρώτοι πρωτοοργανισμοί ήταν χημειοαυτότροφοι και δεν χρησιμοποιούσαν την αερόβια αναπνοή. Ήταν αναερόβιοι.

Τρέχοντα μοντέλα

Δεν υπάρχει "πρότυπο μοντέλο" για το πώς ξεκίνησε η ζωή. Τα περισσότερα αποδεκτά μοντέλα βασίζονται στη μοριακή βιολογία και την κυτταρική βιολογία:

1. Επειδή υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες, δημιουργούνται κάποια βασικά μικρά μόρια. Αυτά ονομάζονται μονομερή της ζωής. Τα αμινοξέα είναι ένας τύπος αυτών των μορίων. Αυτό αποδείχθηκε με το πείραμα Miller-Urey των Stanley L. Miller και Harold C. Urey το 1953 και τώρα γνωρίζουμε ότι αυτά τα βασικά δομικά στοιχεία είναι κοινά σε όλο το διάστημα. Η πρώιμη Γη θα τα είχε όλα.
2. Φωσφολιπίδια, τα οποία μπορούν να σχηματίσουν λιπιδικές διπλοστιβάδες, κύριο συστατικό της κυτταρικής μεμβράνης.
3. Νουκλεοτίδια που μπορεί να ενωθούν σε τυχαία μόρια RNA. Αυτό θα μπορούσε να έχει ως αποτέλεσμα αυτοαναπαραγόμενα ριβόζυμα (υπόθεση του κόσμου του RNA).
4. Ο ανταγωνισμός για τα υποστρώματα θα επέλεγε τις μίνι-πρωτεΐνες σε ένζυμα. Το ριβόσωμα είναι ζωτικής σημασίας για τη σύνθεση πρωτεϊνών στα σημερινά κύτταρα, αλλά δεν έχουμε ιδέα για το πώς εξελίχθηκε.
5. Στην αρχή, τα ριβονουκλεϊκά οξέα θα ήταν καταλύτες, αλλά αργότερα, τα νουκλεϊκά οξέα εξειδικεύονται για γονιδιωματική χρήση.

Η προέλευση των βασικών βιομορίων, αν και δεν έχει διευθετηθεί, είναι λιγότερο αμφιλεγόμενη από τη σημασία και τη σειρά των βημάτων 2 και 3. Οι βασικές χημικές ουσίες από τις οποίες πιστεύεται ότι σχηματίστηκε η ζωή είναι:

• Μεθάνιο (CH ₄),
• Αμμωνία (NH ₃),
• Νερό (H ₂O),
• Υδρόθειο (H ₂S),
• Διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ) ή μονοξείδιο του άνθρακα (CO), και
• Φωσφορικά (PO ₄^3-).

Το μοριακό οξυγόνο (Ο₂ ) και το όζον (Ο₃ ) ήταν είτε σπάνια είτε απουσίαζαν.

Τρία στάδια

• Στάδιο 1: Η προέλευση των βιολογικών μονομερών
• Στάδιο 2: Η προέλευση των βιολογικών πολυμερών
• Στάδιο 3: Η εξέλιξη από τα μόρια στα κύτταρα

Ο Bernal πρότεινε ότι η εξέλιξη μπορεί να ξεκίνησε νωρίς, κάποια στιγμή μεταξύ του Σταδίου 1 και 2.

Τρέχοντα μοντέλα

Δεν υπάρχει "πρότυπο μοντέλο" για το πώς ξεκίνησε η ζωή. Τα περισσότερα αποδεκτά μοντέλα βασίζονται στη μοριακή βιολογία και την κυτταρική βιολογία:

1. Επειδή υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες, δημιουργούνται κάποια βασικά μικρά μόρια. Αυτά ονομάζονται μονομερή της ζωής. Τα αμινοξέα είναι ένας τύπος αυτών των μορίων. Αυτό αποδείχθηκε με το πείραμα Miller-Urey των Stanley L. Miller και Harold C. Urey το 1953 και τώρα γνωρίζουμε ότι αυτά τα βασικά δομικά στοιχεία είναι κοινά σε όλο το διάστημα. Η πρώιμη Γη θα τα είχε όλα.
2. Φωσφολιπίδια, τα οποία μπορούν να σχηματίσουν λιπιδικές διπλοστιβάδες, κύριο συστατικό της κυτταρικής μεμβράνης.
3. Νουκλεοτίδια που μπορεί να ενωθούν σε τυχαία μόρια RNA. Αυτό θα μπορούσε να έχει ως αποτέλεσμα αυτοαναπαραγόμενα ριβόζυμα (υπόθεση του κόσμου του RNA).
4. Ο ανταγωνισμός για τα υποστρώματα θα επέλεγε τις μίνι-πρωτεΐνες σε ένζυμα. Το ριβόσωμα είναι ζωτικής σημασίας για τη σύνθεση πρωτεϊνών στα σημερινά κύτταρα, αλλά δεν έχουμε ιδέα για το πώς εξελίχθηκε.
5. Στην αρχή, τα ριβονουκλεϊκά οξέα θα ήταν καταλύτες, αλλά αργότερα, τα νουκλεϊκά οξέα εξειδικεύονται για γονιδιωματική χρήση.

Η προέλευση των βασικών βιομορίων, αν και δεν έχει διευθετηθεί, είναι λιγότερο αμφιλεγόμενη από τη σημασία και τη σειρά των βημάτων 2 και 3. Οι βασικές χημικές ουσίες από τις οποίες πιστεύεται ότι σχηματίστηκε η ζωή είναι:

• Μεθάνιο (CH ₄),
• Αμμωνία (NH ₃),
• Νερό (H ₂O),
• Υδρόθειο (H ₂S),
• Διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ) ή μονοξείδιο του άνθρακα (CO), και
• Φωσφορικά (PO ₄^3-).

Το μοριακό οξυγόνο (Ο₂ ) και το όζον (Ο₃ ) ήταν είτε σπάνια είτε απουσίαζαν.

Τρία στάδια

• Στάδιο 1: Η προέλευση των βιολογικών μονομερών
• Στάδιο 2: Η προέλευση των βιολογικών πολυμερών
• Στάδιο 3: Η εξέλιξη από τα μόρια στα κύτταρα

Ο Bernal πρότεινε ότι η εξέλιξη μπορεί να ξεκίνησε νωρίς, κάποια στιγμή μεταξύ του Σταδίου 1 και 2.

Προέλευση των οργανικών μορίων

Υπάρχουν τρεις πηγές οργανικών μορίων στην πρώιμη Γη:

1. οργανική σύνθεση από πηγές ενέργειας (όπως υπεριώδες φως ή ηλεκτρικές εκκενώσεις).
2. παράδοση από εξωγήινα αντικείμενα όπως οι ανθρακούχοι μετεωρίτες (χονδρίτες),
3. οργανική σύνθεση που καθοδηγείται από κρούσεις.

Οι εκτιμήσεις αυτών των πηγών υποδηλώνουν ότι ο βαρύς βομβαρδισμός πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια έκανε διαθέσιμες ποσότητες οργανικών ουσιών συγκρίσιμες με εκείνες που παράγονται από άλλες πηγές ενέργειας.

Το πείραμα του Miller και η αρχέγονη σούπα

Το 1953 ένας μεταπτυχιακός φοιτητής, ο Stanley Miller, και ο καθηγητής του, ο Harold Urey, πραγματοποίησαν ένα πείραμα που έδειξε πώς τα οργανικά μόρια θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί στην πρώιμη Γη από ανόργανες πρόδρομες ουσίες.

Το διάσημο πλέον πείραμα Miller-Urey χρησιμοποίησε ένα ιδιαίτερα μειωμένο μείγμα αερίων - μεθάνιο, αμμωνία και υδρογόνο - για να σχηματίσει βασικά οργανικά μονομερή, όπως τα αμινοξέα. Γνωρίζουμε τώρα ότι για περισσότερο από το πρώτο μισό της ιστορίας της Γης η ατμόσφαιρά της δεν είχε σχεδόν καθόλου οξυγόνο.

Τα πειράματα της Fox

Στις δεκαετίες του 1950 και 1960, ο Sidney W. Fox μελέτησε τον αυθόρμητο σχηματισμό πεπτιδικών δομών υπό συνθήκες που μπορεί να υπήρχαν στις αρχές της ιστορίας της Γης. Απέδειξε ότι τα αμινοξέα μπορούσαν από μόνα τους να σχηματίσουν μικρά πεπτίδια. Αυτά τα αμινοξέα και τα μικρά πεπτίδια μπορούσαν να ενθαρρυνθούν να σχηματίσουν κλειστές σφαιρικές μεμβράνες, που ονομάζονται μικροσφαιρίδια.

Προέλευση των οργανικών μορίων

Υπάρχουν τρεις πηγές οργανικών μορίων στην πρώιμη Γη:

1. οργανική σύνθεση από πηγές ενέργειας (όπως υπεριώδες φως ή ηλεκτρικές εκκενώσεις).
2. παράδοση από εξωγήινα αντικείμενα όπως οι ανθρακούχοι μετεωρίτες (χονδρίτες),
3. οργανική σύνθεση που καθοδηγείται από κρούσεις.

Οι εκτιμήσεις αυτών των πηγών υποδηλώνουν ότι ο βαρύς βομβαρδισμός πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια έκανε διαθέσιμες ποσότητες οργανικών ουσιών συγκρίσιμες με εκείνες που παράγονται από άλλες πηγές ενέργειας.

Το πείραμα του Miller και η αρχέγονη σούπα

Το 1953 ένας μεταπτυχιακός φοιτητής, ο Stanley Miller, και ο καθηγητής του, ο Harold Urey, πραγματοποίησαν ένα πείραμα που έδειξε πώς τα οργανικά μόρια θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί στην πρώιμη Γη από ανόργανες πρόδρομες ουσίες.

Το διάσημο πλέον πείραμα Miller-Urey χρησιμοποίησε ένα ιδιαίτερα μειωμένο μείγμα αερίων - μεθάνιο, αμμωνία και υδρογόνο - για να σχηματίσει βασικά οργανικά μονομερή, όπως τα αμινοξέα. Γνωρίζουμε τώρα ότι για περισσότερο από το πρώτο μισό της ιστορίας της Γης η ατμόσφαιρά της δεν είχε σχεδόν καθόλου οξυγόνο.

Τα πειράματα της Fox

Στις δεκαετίες του 1950 και 1960, ο Sidney W. Fox μελέτησε τον αυθόρμητο σχηματισμό πεπτιδικών δομών υπό συνθήκες που μπορεί να υπήρχαν στις αρχές της ιστορίας της Γης. Απέδειξε ότι τα αμινοξέα μπορούσαν από μόνα τους να σχηματίσουν μικρά πεπτίδια. Αυτά τα αμινοξέα και τα μικρά πεπτίδια μπορούσαν να ενθαρρυνθούν να σχηματίσουν κλειστές σφαιρικές μεμβράνες, που ονομάζονται μικροσφαιρίδια.

Ειδικοί όροι

Ορισμένοι επιστήμονες έχουν προτείνει ειδικές συνθήκες που θα μπορούσαν να διευκολύνουν τη σύνθεση των κυττάρων.

Πήλινος κόσμος

Ένα πήλινο μοντέλο για την προέλευση της ζωής προτάθηκε από τον A. Graham Cairns-Smith. Η θεωρία της αργίλου υποδηλώνει ότι τα πολύπλοκα οργανικά μόρια προέκυψαν σταδιακά πάνω σε μια προϋπάρχουσα μη οργανική πλατφόρμα, δηλαδή σε πυριτικούς κρυστάλλους σε διάλυμα.

Μοντέλο βιόσφαιρας βαθιάς θερμότητας

Στη δεκαετία του 1970, ο Thomas Gold πρότεινε τη θεωρία ότι η ζωή αναπτύχθηκε αρχικά όχι στην επιφάνεια της Γης, αλλά αρκετά χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Η ανακάλυψη, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, των νανοβίων (νηματοειδείς δομές που είναι μικρότερες από τα βακτήρια, αλλά μπορεί να περιέχουν DNA σε βαθιά πετρώματα) μπορεί να υποστηρίξει τη θεωρία του Gold.

Είναι πλέον αρκετά καλά τεκμηριωμένο ότι η μικροβιακή ζωή είναι άφθονη σε ρηχά βάθη της Γης (έως και πέντε χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια) με τη μορφή ακραιόφιλων αρχαίων, αντί των πιο γνωστών ευβακτηρίων (που ζουν σε πιο προσιτές συνθήκες).

Ο Gold υποστήριξε ότι ένα σταγονόμετρο τροφής από μια βαθιά, απρόσιτη πηγή είναι απαραίτητο για την επιβίωση, επειδή η ζωή που αναδύεται σε μια λίμνη οργανικού υλικού είναι πιθανό να καταναλώσει όλη την τροφή της και να εξαφανιστεί. Η θεωρία του Gold ήταν ότι η ροή της τροφής οφείλεται στην εκτόνωση αρχέγονου μεθανίου από τον μανδύα της Γης.

Αυτοοργάνωση και αντιγραφή

Η αυτοοργάνωση και η αυτοαναπαραγωγή είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα των ζωντανών συστημάτων. Τα μη ζωντανά μόρια εμφανίζουν μερικές φορές αυτά τα χαρακτηριστικά υπό κατάλληλες συνθήκες. Για παράδειγμα, οι Martin και Russel έδειξαν ότι οι κυτταρικές μεμβράνες που διαχωρίζουν το περιεχόμενο από το περιβάλλον και η αυτοοργάνωση αυτοτελών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής είναι τα πιο διατηρημένα χαρακτηριστικά των έμβιων όντων. Υποστηρίζουν ότι μια τέτοια ανόργανη ύλη θα ήταν ο πιο πιθανός τελευταίος κοινός πρόγονος της ζωής.

Ειδικοί όροι

Ορισμένοι επιστήμονες έχουν προτείνει ειδικές συνθήκες που θα μπορούσαν να διευκολύνουν τη σύνθεση των κυττάρων.

Πήλινος κόσμος

Ένα πήλινο μοντέλο για την προέλευση της ζωής προτάθηκε από τον A. Graham Cairns-Smith. Η θεωρία της αργίλου υποδηλώνει ότι τα πολύπλοκα οργανικά μόρια προέκυψαν σταδιακά πάνω σε μια προϋπάρχουσα μη οργανική πλατφόρμα, δηλαδή σε πυριτικούς κρυστάλλους σε διάλυμα.

Μοντέλο βιόσφαιρας βαθιάς θερμότητας

Στη δεκαετία του 1970, ο Thomas Gold πρότεινε τη θεωρία ότι η ζωή αναπτύχθηκε αρχικά όχι στην επιφάνεια της Γης, αλλά αρκετά χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Η ανακάλυψη, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, των νανοβίων (νηματοειδείς δομές που είναι μικρότερες από τα βακτήρια, αλλά μπορεί να περιέχουν DNA σε βαθιά πετρώματα) μπορεί να υποστηρίξει τη θεωρία του Gold.

Είναι πλέον αρκετά καλά τεκμηριωμένο ότι η μικροβιακή ζωή είναι άφθονη σε ρηχά βάθη της Γης (έως και πέντε χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια) με τη μορφή ακραιόφιλων αρχαίων, αντί των πιο γνωστών ευβακτηρίων (που ζουν σε πιο προσιτές συνθήκες).

Ο Gold υποστήριξε ότι ένα σταγονόμετρο τροφής από μια βαθιά, απρόσιτη πηγή είναι απαραίτητο για την επιβίωση, επειδή η ζωή που αναδύεται σε μια λίμνη οργανικού υλικού είναι πιθανό να καταναλώσει όλη την τροφή της και να εξαφανιστεί. Η θεωρία του Gold ήταν ότι η ροή της τροφής οφείλεται στην εκτόνωση αρχέγονου μεθανίου από τον μανδύα της Γης.

Αυτοοργάνωση και αντιγραφή

Η αυτοοργάνωση και η αυτοαναπαραγωγή είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα των ζωντανών συστημάτων. Τα μη ζωντανά μόρια εμφανίζουν μερικές φορές αυτά τα χαρακτηριστικά υπό κατάλληλες συνθήκες. Για παράδειγμα, οι Martin και Russel έδειξαν ότι οι κυτταρικές μεμβράνες που διαχωρίζουν το περιεχόμενο από το περιβάλλον και η αυτοοργάνωση αυτοτελών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής είναι τα πιο διατηρημένα χαρακτηριστικά των έμβιων όντων. Υποστηρίζουν ότι μια τέτοια ανόργανη ύλη θα ήταν ο πιο πιθανός τελευταίος κοινός πρόγονος της ζωής.

Θεωρίες

Υπόθεση του κόσμου του RNA

Στην υπόθεση αυτή, το RNA λέγεται ότι λειτουργεί τόσο ως ένζυμο όσο και ως δοχείο γονιδίων. Αργότερα, το DNA ανέλαβε τον γενετικό του ρόλο.

Η υπόθεση του κόσμου του RNA προτείνει ότι η ζωή που βασίζεται στο ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) προϋπήρχε του σημερινού κόσμου της ζωής που βασίζεται στο δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), το RNA και τις πρωτεΐνες. Το RNA είναι ικανό τόσο να αποθηκεύει γενετικές πληροφορίες, όπως το DNA, όσο και να καταλύει χημικές αντιδράσεις, όπως ένα ένζυμο. Μπορεί να υποστήριζε την προ-κυτταρική ζωή και να αποτελούσε ένα σημαντικό βήμα προς την κυτταρική ζωή.

Υπάρχουν ορισμένα στοιχεία που υποστηρίζουν αυτή την ιδέα:

1. Υπάρχουν ορισμένα RNA που λειτουργούν ως ένζυμα.
2. Ορισμένοι ιοί χρησιμοποιούν RNA για την κληρονομικότητα.
3. Πολλά από τα πιο θεμελιώδη μέρη του κυττάρου (αυτά που εξελίσσονται πιο αργά) απαιτούν RNA.

Μεταβολισμός και πρωτεΐνες

Η ιδέα αυτή υποδηλώνει ότι οι πρωτεΐνες λειτουργούσαν πρώτα ως ένζυμα, παράγοντας μεταβολισμό. Στη συνέχεια, το DNA και το RNA άρχισαν να λειτουργούν ως δοχεία γονιδίων.

Αυτή η ιδέα έχει επίσης κάποιες αποδείξεις που την υποστηρίζουν.

1. Η πρωτεΐνη ως ένζυμο είναι απαραίτητη για τη σημερινή ζωή.
2. Ορισμένα αμινοξέα σχηματίζονται από πιο βασικές χημικές ουσίες στο πείραμα Miller-Urey. Ορισμένοι αρνούνται αυτή την ιδέα επειδή οι πρωτεΐνες δεν μπορούν να αντιγράψουν τον εαυτό τους.

Λιπίδια

Σε αυτό το σχήμα εμφανίζονται νωρίς μεμβράνες από λιπιδικές διπλοστιβάδες. Μόλις εγκλωβιστούν οι οργανικές χημικές ουσίες, τότε είναι δυνατή μια πιο σύνθετη βιοχημεία.

Θεωρίες

Υπόθεση του κόσμου του RNA

Στην υπόθεση αυτή, το RNA λέγεται ότι λειτουργεί τόσο ως ένζυμο όσο και ως δοχείο γονιδίων. Αργότερα, το DNA ανέλαβε τον γενετικό του ρόλο.

Η υπόθεση του κόσμου του RNA προτείνει ότι η ζωή που βασίζεται στο ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) προϋπήρχε του σημερινού κόσμου της ζωής που βασίζεται στο δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), το RNA και τις πρωτεΐνες. Το RNA είναι ικανό τόσο να αποθηκεύει γενετικές πληροφορίες, όπως το DNA, όσο και να καταλύει χημικές αντιδράσεις, όπως ένα ένζυμο. Μπορεί να υποστήριζε την προ-κυτταρική ζωή και να αποτελούσε ένα σημαντικό βήμα προς την κυτταρική ζωή.

Υπάρχουν ορισμένα στοιχεία που υποστηρίζουν αυτή την ιδέα:

1. Υπάρχουν ορισμένα RNA που λειτουργούν ως ένζυμα.
2. Ορισμένοι ιοί χρησιμοποιούν RNA για την κληρονομικότητα.
3. Πολλά από τα πιο θεμελιώδη μέρη του κυττάρου (αυτά που εξελίσσονται πιο αργά) απαιτούν RNA.

Μεταβολισμός και πρωτεΐνες

Η ιδέα αυτή υποδηλώνει ότι οι πρωτεΐνες λειτουργούσαν πρώτα ως ένζυμα, παράγοντας μεταβολισμό. Στη συνέχεια, το DNA και το RNA άρχισαν να λειτουργούν ως δοχεία γονιδίων.

Αυτή η ιδέα έχει επίσης κάποιες αποδείξεις που την υποστηρίζουν.

1. Η πρωτεΐνη ως ένζυμο είναι απαραίτητη για τη σημερινή ζωή.
2. Ορισμένα αμινοξέα σχηματίζονται από πιο βασικές χημικές ουσίες στο πείραμα Miller-Urey. Ορισμένοι αρνούνται αυτή την ιδέα επειδή οι πρωτεΐνες δεν μπορούν να αντιγράψουν τον εαυτό τους.

Λιπίδια

Σε αυτό το σχήμα εμφανίζονται νωρίς μεμβράνες από λιπιδικές διπλοστιβάδες. Μόλις εγκλωβιστούν οι οργανικές χημικές ουσίες, τότε είναι δυνατή μια πιο σύνθετη βιοχημεία.

Πανσπερμία

Πρόκειται για την ιδέα που πρότεινε ο Arrhenius και ανέπτυξε ο Fred Hoyle, ότι η ζωή αναπτύχθηκε αλλού στο σύμπαν και έφτασε στη Γη με τη μορφή σπορίων. Αυτό δεν είναι μια θεωρία για το πώς ξεκίνησε η ζωή, αλλά μια θεωρία για το πώς θα μπορούσε να έχει εξαπλωθεί. Μπορεί να εξαπλώθηκε, για παράδειγμα, μέσω μετεωριτών.

Ορισμένοι προτείνουν ότι ο πρώιμος Άρης ήταν καλύτερο μέρος για να ξεκινήσει η ζωή από ό,τι η πρώιμη Γη. Τα μόρια που συνδυάστηκαν για να σχηματίσουν το γενετικό υλικό είναι πιο πολύπλοκα από την "αρχέγονη σούπα" οργανικών χημικών ουσιών (με βάση τον άνθρακα) που υπήρχε στη Γη πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια. Αν το RNA ήταν το πρώτο γενετικό υλικό, τότε τα ορυκτά που περιέχουν βόριο και μολυβδαίνιο θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον σχηματισμό του. Τα ορυκτά αυτά ήταν πολύ πιο κοινά στον Άρη από ό,τι στη Γη.

Πανσπερμία

Πρόκειται για την ιδέα που πρότεινε ο Arrhenius και ανέπτυξε ο Fred Hoyle, ότι η ζωή αναπτύχθηκε αλλού στο σύμπαν και έφτασε στη Γη με τη μορφή σπορίων. Αυτό δεν είναι μια θεωρία για το πώς ξεκίνησε η ζωή, αλλά μια θεωρία για το πώς θα μπορούσε να έχει εξαπλωθεί. Μπορεί να εξαπλώθηκε, για παράδειγμα, μέσω μετεωριτών.

Ορισμένοι προτείνουν ότι ο πρώιμος Άρης ήταν καλύτερο μέρος για να ξεκινήσει η ζωή από ό,τι η πρώιμη Γη. Τα μόρια που συνδυάστηκαν για να σχηματίσουν το γενετικό υλικό είναι πιο πολύπλοκα από την "αρχέγονη σούπα" οργανικών χημικών ουσιών (με βάση τον άνθρακα) που υπήρχε στη Γη πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια. Αν το RNA ήταν το πρώτο γενετικό υλικό, τότε τα ορυκτά που περιέχουν βόριο και μολυβδαίνιο θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον σχηματισμό του. Τα ορυκτά αυτά ήταν πολύ πιο κοινά στον Άρη από ό,τι στη Γη.

Σχετικές σελίδες

• Αστροβιολογία
• Πρώιμες γνωστές μορφές ζωής

Σχετικές σελίδες

• Αστροβιολογία
• Πρώιμες γνωστές μορφές ζωής