Abiogeneza

Nowoczesne koncepcje abiogenezy

Nowoczesne hipotezy abiogenezy opierają się w dużej mierze na tych samych zasadach, co teoria Oparina-Haldane’a i eksperyment Millera-Ureya. Istnieją jednak subtelne różnice między kilkoma modelami, które zostały przedstawione w celu wyjaśnienia postępu od abiogennej cząsteczki do żywego organizmu, a wyjaśnienia różnią się co do tego, czy złożone cząsteczki organiczne najpierw stały się samoreplikującymi się jednostkami pozbawionymi funkcji metabolicznych, czy też najpierw stały się metabolizującymi protokomórkami, które następnie rozwinęły zdolność do samoreplikacji.

Siedlisko abiogenezy również było przedmiotem debaty. Podczas gdy niektóre dowody sugerują, że życie mogło powstać z nie-życia w otworach hydrotermalnych na dnie oceanu, możliwe jest, że abiogeneza miała miejsce gdzie indziej, np. głęboko pod powierzchnią Ziemi, gdzie nowo powstałe protokomórki mogły przetrwać na metanie lub wodorze, a nawet na brzegach oceanów, gdzie proteinoidy mogły powstać w wyniku reakcji aminokwasów z ciepłem, a następnie przedostać się do wody w postaci przypominających komórki kropel białka.

Niektórzy naukowcy zaproponowali, że abiogeneza miała miejsce więcej niż raz. W jednym z przykładów tego hipotetycznego scenariusza, różne rodzaje życia powstały, każdy z różnych architektur biochemicznych odzwierciedlających charakter materiałów abiogennych, z których rozwinęły. Ostatecznie jednak życie oparte na fosforanach (życie „standardowe”, posiadające architekturę biochemiczną wymagającą fosforu) zyskało ewolucyjną przewagę nad wszelkim życiem nie opartym na fosforanach (życie „niestandardowe”) i tym samym stało się najbardziej rozpowszechnionym rodzajem życia na Ziemi. To pojęcie doprowadziło naukowców do wnioskowania o istnieniu cienistej biosfery, systemu podtrzymywania życia składającego się z mikroorganizmów o unikalnej lub nietypowej strukturze biochemicznej, który mógł kiedyś istnieć lub być może nadal istnieje na Ziemi.

Jak wykazał eksperyment Millera-Ureya, cząsteczki organiczne mogą powstawać z materiałów abiogenicznych w warunkach prebiotycznej atmosfery Ziemi. Od lat 50. naukowcy odkryli, że aminokwasy mogą spontanicznie tworzyć peptydy (małe białka) oraz że kluczowe intermediaty w syntezie nukleotydów RNA (związki zawierające azot połączone z grupami cukrowymi i fosforanowymi) mogą powstawać z prebiotycznych materiałów wyjściowych. Te ostatnie dowody mogą wspierać hipotezę świata RNA, czyli pomysł, że na wczesnej Ziemi istniało mnóstwo życia RNA wytworzonego przez prebiotyczne reakcje chemiczne. W rzeczywistości, poza przenoszeniem i tłumaczeniem informacji genetycznej, RNA jest katalizatorem, cząsteczką, która zwiększa tempo reakcji, sama nie będąc przy tym zużyta, co oznacza, że pojedynczy katalizator RNA mógł wytworzyć wiele form życia, co byłoby korzystne podczas powstawania życia na Ziemi. Hipoteza świata RNA jest jedną z wiodących koncepcji abiogenezy opartych na samoreplikacji.

Niektóre nowoczesne modele abiogenezy oparte na metabolizmie zawierają koacerwaty Oparina zawierające enzymy, ale sugerują stały postęp od prostych cząsteczek organicznych do koacerwatów, a konkretnie protobiontów, agregatów cząsteczek organicznych, które wykazują pewne cechy życia. Protobionty przypuszczalnie dały początek prokariotom, jednokomórkowym organizmom pozbawionym wyraźnego jądra i innych organelli z powodu braku wewnętrznych błon, ale zdolnym do metabolizmu i samoreplikacji oraz podatnym na dobór naturalny. Przykładami prymitywnych prokariotów występujących do dziś na Ziemi są archaea, które często zamieszkują ekstremalne środowiska o warunkach podobnych do tych, które mogły istnieć miliardy lat temu, oraz sinice (blue-green algae), które również rozwijają się w niegościnnych środowiskach i są szczególnie interesujące w zrozumieniu pochodzenia życia, biorąc pod uwagę ich zdolności fotosyntetyczne. Stromatolity, osady powstałe w wyniku wzrostu sinic, są najstarszymi skamieniałościami na świecie, datowanymi na 3,5 miliarda lat temu.

Wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi dotyczących abiogenezy. Eksperymenty nie wykazały jeszcze całkowitej przemiany materiałów nieorganicznych w struktury takie jak protobionty i protokomórki, a w przypadku proponowanego świata RNA nie udało się jeszcze pogodzić istotnych różnic w mechanizmach syntezy zasad purynowych i pirymidynowych niezbędnych do utworzenia kompletnych nukleotydów RNA. Ponadto niektórzy naukowcy twierdzą, że abiogeneza nie była konieczna, sugerując zamiast tego, że życie pojawiło się na Ziemi w wyniku zderzenia z obiektem pozaziemskim zawierającym organizmy żywe, takim jak meteoryt zawierający organizmy jednokomórkowe; hipotetyczna migracja życia na Ziemię znana jest jako panspermia.

Badania nad abiogenezą przyniosły znaczące korzyści astrobiologii, dziedzinie nauki zajmującej się poszukiwaniem życia pozaziemskiego (życia poza Ziemią) oraz zrozumieniem warunków wymaganych do powstania życia. Na przykład badania astrobiologiczne księżyca Tytan, którego atmosfera pozbawiona jest wolnego tlenu, ujawniły, że występują tam złożone cząsteczki organiczne, dając naukowcom wgląd w powstawanie materiałów biologicznych w środowisku prebiotycznym przypominającym wczesną Ziemię.

Kara Rogers