„Kaip, tiesą sakant, tai: tuo labiau nesupranti prigimties, kuo labiau į ją giliniesi“,  
N.V. Gogolis. Mirusios sielos  

Gyvybės atsiradimas Žemėje

Taip pat skaitykite Gyvybės atsiradimo versijos  

Kaip greitai planetose, kai jose susidaro palankios sąlygos, gali atsirasti gyvybė? Tas klausimas neramino žmonės nuo seno.
Visi gyvi organizmai gimsta, o kurio laiko miršta. Iš vienos rūšies organizmų randas tos pačios rūšies palikuonys. Ilgą laiką žmonėms atrodė, kad rūšys nekintančios – nuo tų laikų, kai jas sukūrė Kūrėjas. Ši „ortodoksinė“ vadinama Linėjaus, nes Linėjus 5-me „Genera Plantarum“ rašė: „Yra daug skirtingų rūšių nes begalinė Būtybė pačioje pradžioje sukūrė skirtingas formas. Tos formos vėliau pagimdė kitas būtybes pagal paveldėjimo dėsnius, visad tokias pat, tad šiuo metu nėra daugiau rūšių nei buvo pradžioje“.

Pirmuosius pagrindus evoliucijos teorijai padėjo Lamarkas (1794), Treviranus6) (1809), Gėtė ir Oken‘as7) (1820). Tačiau sekė reakcija. Kiuvjė su jo poveikiu visuomenės nuomonei gražino ankstesnį kreacionistinį požiūrį. Anot jo, išnykusios rūšys buvo sunaikintos gamtos revoliucijų, o naujas vėl sukūrė Kūrėjas. Tačiau, ypač po Č. Darvino natūraliosios atrankos teorijos, evoliucijos teorija įsigalėjo, ją parėmė gana neseni De Vries8) darbai. Naujų rūšių atsiradimas gavo mutacijų teorijos pavadinimą.

Kiekvienoje gyvoje, net primityviausioje ląstelėje knibžda molekulinių „įrenginių“, kurie skaito ir kopijuoja genetinę informaciją, stato ir taiso ląstelės membraną, gabena maisto medžiagas arba jas verčia energija,

Tyrinėtojai nustatė, kad RNR galėjo susidaryti iš cheminių junginių ankstyvuoju Žemės laikotarpiu;
Kiti tyrimai parėmė hipotezę, kad į RNR turinčios ląstelės galėjo susitelkti spontaniškai, daugintis ir vystytis;
Mokslininkai bando sukurti save reprodukuojančius organizmus laboratorijose.
 

perduoda mechaninius, cheminius ar elektrinius pranešimus – ir vardinti galima be galo.

Beveik neįmanoma įsivaizduoti, kaip prieš 3,7 mlrd. m. galėjo spontaniškai susikurti tokie „įtaisai“, kurie daugiausia yra proteinų pagrindu sudaryti katalizatoriai, kurie vadinami enzimais. Tačiau dar 6-me dešimtm. S.L. Miller'is1) ir H.C. Urey parodė, kad esant tinkamoms sąlygoms iš paprastesnių cheminių junginių gali susidaryti kai kurios amino rūgštys, proteinų sudedamosios dalys. Tačiau patys proteinai ir enzimai yra visai kitas reikalas.

Ląstelės proteinų gamybos procese enzimai iš DNR dvigubos spiralės skaito informaciją apie genus ir ją verčia galutiniu produktu. Susiduriame su paradoksu – gyvybės atsiradimui yra būtini proteinai, kad … gamintų proteinus. Tačiau paradoksas dingtų, jei pirmiesiems organizmams visai nereikėtų proteinų.Tyrimai rodo, kad spontaniškai gali susidaryti molekulės, panašios į DNR arba RNR. O kadangi jos gali susisukti įvairiomis formomis ir veikti kaip katalizatoriai, galėjo nutikti, kad jos ėmė kopijuoti save be proteinų pagalbos. Ankstyviausios gyvybės formos galėjo būti paprastos membranos, sudarytos iš riebalinių rūgščių, kurios gaubė vandenį ir tas, save replikuojančias molekules. Palankios mutacijos, atsitiktinai

Kas yra gyvybė?
Fizikas E. Šriodingeris laikė, kad gyvų sistemų išskirtinė savybė yra savaiminis susitelkimas priešinantis gamtos polinkiui į entropiją;
Chemiko G. Joyce2) NASA priimtas apibrėžimas (1991) yra „save palaikanti cheminė sistema įgalinti Darvino evoliucijos teoriją“;
B. Korzeniewski „kibernetinis“ apibrėžimas, kad gyvybė yra tinklais su grįžtamojo ryšio mechanizmais.

pasitaikiusios replikavimo metu, skatino evoliuciją, leisdamos toms pirmapradėms ląstelėms prisitaikyti prie aplinkos, varžytis kitomis ir virsti mums pažįstamoms gyvybės formomis.

Viena sudėtingiausių paslapčių, susijusių su gyvybės atsiradimu – kaip iš paprastesnių molekulių susidarė genetinė informacija. Galima būtų spėti, kad RNR pasirodė anksčiau už DNR. Jos enzimų (vadinami ribozimais) vaidmuo irgi svarbus. Struktūros, transliuojančios RNR į proteinus, yra hibridinės RNR-proteinų mašinos, kuriose RNR atlieka katalizatoriaus darbą. Tad atrodo, kad kiekvienoje ląstelėje ribosomos saugo „fosilinį“ įrodymą apie pirmapradį RNR pasaulį.

Genetinės molekulės (kaip RNR ir DNR) yra polimerai (grandinės iš mažesniųjų molekulių) sudaryti iš nukleotidų. Šie, savo ruožtu, turi tris skirtingas komponentes: cukrų, fosfatą ir nukleopagrindą. Pastarieji yra 4 tipų ir sudaro abėcėlę, kurios pagalba polimeras koduoja informaciją. DNR molekulėje tai A, G, C ir T (atitinkantys adeniną, guaniną, cytosiną ir tyminą), o RNR molekulėje U (uracilas) pakeičia T.

Nukleopagrindai yra gausiai azoto turintys komponentai, vienas su kitu besijungiantys paprasta taisykle: A su U (arba T), G su C. Tokios jungtys sudaro DNR spiralės laiptelius ir toks poravimas užtikrina sėkmingą informacijos kopijavimą ir atgaminimą.

Nukleopagrindai gali susidaryti savaime, palaipsniui, iš cianido, acetileno ir vandens. Cukrus irgi lengvai susidaro iš paprastų cheminių junginių (pvz., šarminėje aplinkoje šildant formaldehidą, kurio buvo pirmykščiuose planetos vandenyse). Tik problema, - kaip gauti „teisingą“ cukraus atmainą, ribozę RNT atveju, tinkamą nukleotidams. Tačiau ribozė gali susidaryti dviejų paprastesnių cukrų reakcijos metu. Tai iki galo neišsprendžia problemos, kaip Žemėje galėjo susidaryti pakankamai ribozės, kuri, vienok, yra gana nestabili ir greitai suskyla net silpnai šarminėje aplinkoje. Tad anksčiau daugelis mokslininkų spėjo, kad pirmosiose genetinėse molekulėse nebuvo ribozės. Tačiau buvo aptikta, kaip ribozė gali tapti patvaria.

Alternatyvos „pirmiausia RNR“ hipotezei:
Pirmiausia susidarė peptidų nuklidinė rūgštis, kurioje nukleopagrindas sujungtas su panašiu į proteiną pagrindu. Ji paprastesnė ir chemiškai stabilesnė už RNR.
Gyvybė atsirado energiją apdorojančių katalizatorių tinklas (metabolizmas).
Gyvybė užnešta iš kitur – panspermijos teorija.

Fosforas mena dar vieną mįslę – jo gausu žemės plutoje, tačiau jis daugiausia yra mineralų sudėtyje. Tačiau karštose vulkaninėse versmėse jis gali virsti tirpiais fosfatais, tačiau tai labai maži kiekiai. Kitas galimas fosforo šaltinis yra šreibersitas, mineralas, daugiausia randamas kai kuriuose meteorituose4). 2005 m. M. Pasek'as ir D. Lauretta nustatė, kad vandenyje iš šreibersito išsilaisvina fosforas – ir be to labiau tirpus nei fosfatai ir labiau reaktyvus su įvairiais organiniais junginiais.

Toliau reikia, kad šios komponentės teisingai susijungtų. Šis klausimas kelis dešimtmečius nedavė ramybės. Neužtenka vien vandenyje sumaišyti sudedamąsias dalis. Reikalinga papildoma energija, pvz., pridedant daug energijos turinčių komponenčių. Jų galėjo būti pirmapradžiame vandenyje, tačiau laboratorijose tokios molekulės nebuvo efektyvios.

2009 m. pavasarį J. Sutherland'as3) su kolegomis pabandė elgtis kitaip – jie sumaišė pradines medžiagas (cianido, acetileno, formaldehido vedinius) kartu su fosfatais. Sudėtingų reakcijų metu susidarė nedidelė RNA molekulė, vadinama 2-aminooksazole, kurią galima laikyti kaip cukraus fragmentą susijungusį su nukleopagrindo fragmentu. Jos esminė ypatybė yra tai, kad ji labai laki ir gali keliauti su vandens garais.

Kai jau turime nukleotidus, paskutinis etapas RNR susidaryme yra polimerizacija: cukraus iš vieno nukleotido jungiasi su fosfatu iš kito nukleotido – ir taip nukleotidai susidėlioja į grandinėlę. Ir vėl – vandenyje tie ryšiai nesusidaro spontaniškai ir tam reikia kokios nors papildomos energijos. Įmaišydami įvairių cheminių medžiagų, mokslininkai sugebėjo gauti kai kurias trumpas RNR grandinėles - iš 2-40 nukleotidų. Prieš 2000-uosius J. Ferris su kolegomis parodė, kad molio mineralai pagerina procesą ir leidžia ištįsti grandinėlėms iki 50 narių. Nedaug, prisimenant, kad įprastas genas turi nuo kelių tūkstančių iki milijonų grandžių. Vis tik tie atradimai sustiprino idėją, kad gyvybė galėjo atsirasti mineralų paviršiuje, galbūt, karštų šaltinių suformuotų telkinių dugne, kuriame gausu molingo dumblo.

Tačiau genetinių polimerų susidarymas dar neatsako į klausimą apie gyvybės atsiradimą. Kad būtų „gyvi“, organizmai privalo daugintis – o tai susiję su genetinės informacijos kopijavimu. Šiuolaikinėse ląstelėse tą funkciją atlieka proteinų pagrindu sudaryti enzimai. Bet genetiniai polimerai gali išsiraityti įvairiausiomis formomis ir katalizuoti chemines reakcijas, panašiai, kaip tai daro enzimai. Tad labai tikėtina, kad ankstyvuosiuose gyvuose organizmuose RNR replikavo save pačią. T. Lincoln ir G. Joyce sukūrė dvi RNR ribozimas, kurių kiekviena galėjo kopijuoti kitą sujungiant dvi trumpesnes RNR dalis. Deja, sėkmės tuose bandymuose užtikrinimui, reikia iš anksto egzistuojančių RNR fragmentų, kurių spontaninis susitelkimas užimtų daug laiko ir būtų sudėtinga tai pasiekti.

O kai jau suvokiame gyvybės atsiradimo chemiją, galime imtis žvelgti, kaip turi sąveikauti molekulės, kad susidarytų pirmosios proto-ląstelės. Dabartinių ląstelių membranos yra dviejų sluoksnių ir sudarytos iš lipidų, tokių riebalinių molekulių kaip fosfolipidai ir cholesterolis. Membranos apgaubia visas ląstelės komponentes ir sukuria užtvarą, pro kurią negali laisvai prasiskverbti stambios molekulės. „Gudrūs“ membranoje įsikūrę proteinai veikia tarsi durininkai, kurie perkelia molekules į ląstelės vidų arba pašalina iš jos. Kaip visa tai galėjo vykti primityvioje proto-ląstelėje?

Matyt, tada membranas sudarė paprastesnės molekulės, pvz., riebios rūgštys. 8-o dešimtm. pabaigos tyrimai parodė, kad membranos gali spontaniškai susiformuoti iš riebių rūgščių. Tai verčia manyti, kad pirma turėjo susiformuoti ląstelių metabolizmas, kad ląstelės galėtų sau sintetinti nukleotidus. Tačiau buvo nustatyta, kad molekulės, kurios yra tokio dydžio kaip nukleotidai, gali laisvai praeiti pro „primityvias“ membranas. Tad reikia spėti, kad ląstelės viduje tebuvo tik RNR, o nukleotidai prasiskverbdavo pro membraną ir būdavo panaudojami naujų grandžių prijungimui.

Tada ląstelės turi išmokti dalintis į dvi panašias „dukras“. Paskutinį 20 a. dešimtm. P. Luigi Luisi5) su kolegomis parodė, kad tokios proto-ląstelių membranos gali „augti“, kai jas supančiame vandenyje yra riebių rūgščių. Kiti tyrimai parodė, kad tokios proto-ląstelės gali tarpusavyje varžytis ir „vogti“ riebias rūgštis iš kitų. Be to membranos plėsdamosi neišlieka sferinėmis, o ima darytis pailgos, jos trūkčioja (tarsi pūstų vėjas) ir galiausia skyla, o tada viskas vėl kartojasi. Belieka, kad jos galėtų replikuotis – ir jau būtų „gyvos“. O kai jos ims vystytis (pamažu atsirandant metabolizmams), tai galės įdarbinti ir proteinus, kurie perimtų iš RNR genetinės informacijos kopijavimo funkciją.

Impulsas – Saulės žybsnis?

„Nature Geoscience“ žurnale (2016 m. gegužės 23 d.) NASA mokslininkai paskelbė spėjimą, kad gyvybės atsiradimo cheminę grandinę galėjo „paleisti“ Saulės superžybsniai. Žemės atmosferoje buvo azoto molekuline forma, tačiau to nepakanka gyvybei atsirasti, nes didesnį cheminį aktyvumą turi atomarinis azotas. Stiprūs saulės žybsniai galėjo iškreipti Žemės magnetinį lauką ir leisti įelektrintoms dalelėms patekti į atmosferą, kur sukelti azoto oksido (N2O arba „juoko dujos“) ir ciano vandenilio (HCN arba „prūsų rūgštis“, nes pirmąkart gauta kaitinant „prūsų mėlio“ pigmentą) susidarymą. Antrasis ir galėjo tapti atomarinio azoto šaltiniu, o pirmasis yra „šiltnamio efektą“ skatinančios dujos, padėjusios sušilti atmosferai ir sudaryti sąlygas skysto vandens buvimui.

Žemė užkurta per trenksmą

Gyvybė galėjo atsirasti tik susidarius palankioms sąlygoms. O kas galėjo padėti sukurti jas?

Oksfordo un-to geochemikai spėja, kad gyvybė Žemėje atsidaro dėl susidūrimo su dangaus kūnu, chemine sudėtimi panašiu į Merkurijų. Būtent tada Žemėje susidarė magnetinis laukas. Apie tai paskelbė „Nature“ (2015 m. balandžio 15 d.).

Mat samarijaus ir neodimo elementų kiekis vienodas Žemės ir Merkurijos plutoje ir gerokai mažesnis nei nukrintančiuose meteorituose. Tasai kūnas galėjo būti Merkurijaus ar Marso dydžiu ir būti arba tasai pats Merkurijus (kurio paviršius rodo didelį kataklizmą, žr. >>>>> ) arba hipotetinė Tėja. Susidūrimas galėjo būti ir Mėnulio susidarymo priežastimi (apie tai skaitykite >>>>>).

Kompiuterinis modeliavimas parodė, kad po susidūrimo į Žemę patekusi siera, susijungusi su neodimu, uranu ir kt. elementais, nusėsti branduolyje ir ten sukelti branduolines reakcijas. Taip branduolys įkaito, jame „užsikūrė“ magnetinė dinamo mašina, įtakojusi Žemės magnetosferos susidarymą.

Papildomai skaitykite:

  1. R.M. Hazen, J. Henry. Genesis: The Scientific Quest for Life‘s Origins, 2005
  2. The RNA World, ed. R.F. Gesteland et al., 2006
  3. R. Shapiro. A Simpler Origin for Life// Sci.Am., vol.296, no.6, Jun. 2007
  4. P. Nielsen. A New Molecule of Life?// Sci.Am., vol.299, no.6, Dec. 2008
  5. L. Bignami, C.Guaita, F. Pezzotta, M. Zilioli. Shreibersite and growth of life on Earth
  6. M. Pasek, D. Lauretta. Extraterrestrial Flux of Potentially Prebiotic C, N, and P to the Early Earth// Orig. Life Evol. Biosph, 38, pp 5–21, 2008

Papildymai

1) Stenlis Mileris (Stanley Lloyd Miller, 1930-2007) – amerikiečių chemikas, atlikęs eksperimentus susijusius su gyvybės atsiradimo klausimais parodydamas, kad daugelis organinių medžiagų gali susidaryti gana paprastų cheminių procesų metu. 1952 m. su H. Juriu atliko išgarsėjusį eksperimentą, pademonstravusį, kad sudėtingos organinės medžiagos gali susidaryti iš neorganinių komponentų. Todėl laikomas „probiotinės chemijos tėvu“.

2) Džeraldas Džoisas ( Gerald Francis "Jerry" Joyce , g. 1956 m.) – amerikiečių biologas, žinomas darbais ribozimų ir deoksiribozimų evoliucijos bei gyvybės atsiradimo Žemėje tyrinėjimais. Darbuojasi Scripps tyrimų institute. 2005 m. gavo ISSOL H. Jurio medalį. 2009 m. jo laboratorija pirmoji sukūrė save replikuojančią sistemą, pajėgią eksponentiškai plėstis ir evoliucionuoti – sudarytą vien iš RNR enzimų.
1991 m. jis pasiūlė puslapyje cituotą gyvybės apibrėžimą, 2007 m. NASA pripažintą darbiniu. Js bando sujungti Darvino natūralios atrankos teoriją su cheminiu natūralios atrankos aspektu. Pirmoji teigia, kad „išgyvena stipriausias“, o antroji remiasi cheminės termodinamikos dėsniais. Prarają tarp jų yra vaizdžiai apibūdinęs R. Caillois: „Klauzius ir Darvinas negali būti abu teisūs“.

Šreibersito gysla. Kamilo sideritas

3) Džonas Suterlandas (John Sutherland) – britų chemikas, molekulinės biologijos, proteinų ir nukleininių rūgščių tyrinėtojas. 2009 m. „Nature“ straipsnyje paskelbė, kad atrado tikėtiną mechanizmą kaip nukluotidai gali susijungti savaime taip pradėdami gyvybę.

4) Šreibersitas yra vieninteliu fosforo junginiu, kuris vandenyje suskyla sudarydamas ryšius fosforas-anglis ir fosforas-fosforas, reikalingus biologiniam metabolizmui. Tai svarbus argumentas tam, kad gyvybei reikalingas fosforas Žemėje atsirado daugiausia iš „kosmoso lietaus“ masyvaus Žemės bombardavimo iš kosmoso laikotarpiu.

Fosforas gamtoje yra retas elementas ir jo beveik nėra jūrų vandenyje. Kažkiek žemės paviršiuje yra dėl vulkaninės veiklos, tačiau jis paprastai yra netirpių vandenyje fosfatų pavidalu. Tas faktas labai trikdė natūralios gyvybės kilmės šalininkus – nes tada neaišku, kaip susidarė cukrūs.

Tačiau tinkamo fosforo yra metaliniuose meteorituose (siderituose, turinčiuose iki 20% nikelio), kur jis yra šreibersito pavidalu [(Fe, Ni)3P], kur fosforo ryšiai su metaliniais komponentais labai silpni ir lengvai sutraukomi vandens. austrų geologas K.F. Anton von Schreibers’as nustatė šreibersitą 1848 m. Slovakijoje rastame geležies meteorite. 2007 m. S. Lauretta iš arizonos un-to nustatė, kad jį lengvai skaido vanduo sudarydamas oksiduotą fosforo formą, galinčią sąveikauti su organine anglimi sudarydama fosfonatus.

5) Pier Luigi Luisi (g. 1938 m.) – italų chemikas, darbavęsis Šveicarijoje. Dabar yra Romos Tre un-to profesorius.
Šalia pagrindinio darbo nagrinėja gyvybės struktūrą ir funkciją, gyvybės tikslą išvesdamas iš gyvų organizmų funkcionavimo. 1985 m. organizavo tarptautinę „Cortona Week“ konferenciją, skirtą „gamtos mokslams ir gyvybės vientisumui“.

6) Gotfridas Treviranus (Gottfried Reinhold Treviranus, 1776—1837) – vokiečių gamtamokslininkas, 6-tomio „Biologija arba Gyvos gamtos filosofija“ (1802—1821) 1-me tome pasirodė kaip įsitikinęs evoliucionistas. 1834 m. buvo pirmuoju, nustatęs tinklainės kolbelių ir lazdelių formų ląsteles.

7) Lorencas Okenas (Lorenz Oken, 1779-1851) – vokiečių gamtininkas, biologas (botanikas, mikologas ir ornitologas), filosofas. Specializavosi sėklinių augalų ir grybų tyrimuose. Buvo homologinės anatomijos, teigiančios, kad galva yra viso kito kūno ir jo dalių atkartojimas, šalininku. Paskelbė 7 t. „Allgemeine Naturgeschichte fur alle Stande“ (1839-1841).
Jo garbei pavadintas mineralas ir krateris Mėnulyje.

8) Hugo de Vries (Hugo Marie de Vries, 1848-1935) – olandų botanikas, vienas genetikų pirmtakų. Išgarsėjęs pasiūlydamas genų koncepciją (Intracellular Pangenesis, 1889), nežinodamas Mendelės darbų iš naujo atradęs paveldėjimo dėsnius, įvedė mutacijos terminą.

Milžinai Žemėje
Gyvybės paieškos
Tarybiniai alchemikai
Gyvybės neišvengiamumas
Kadaise nebuvome vieni
Prasiplečia gyvybės ribos
Išnykęs dinozaurų pasaulis
Nežemiška gyvybė – Antarktidoje
Prieštaringi ankstyvieji žmonės
Lynn Margulis ir Gajos koncepcija
Kuo skiriasi žmogus ir gyvūnas?
Sibiras ir pirmieji amerikiečiai
Kitokia žmogaus tvėrimo interpretacija
Th. Huxley – išgarsėjęs anglų savamokslis
Žvaigždžių sporos, Žvaigždžių vaikai
Alternatyvios žmogaus kilties teorijos
Panspermia: kosmoso užkratas
Naujausias kreacionizmo veidas
Ar kažkur Visatoje yra gyvybė?
Nojaus arka surasta?
4-ojo etapo evoliucija
Senasis mano kūnas
Kasinėjimai Marse
Jie tebegyvena!?
Didžioji pėda
Mąstymo aušra
Neandertalietis
Vartiklis