Jak zaczęło się życie na Ziemi? Oto 3 popularne teorie

Pierwsze oznaki życia drobnoustrojów pojawiły się około 3,5 miliarda lat temu. Naukowcy uważają, że wczesne życie mogło powstać w wyniku uderzeń światła lub powstać w głębokich kominach morskich. Fot. Gregoire Cirade

Ziemia uformowała się około 4,6 miliarda lat temu. Przez kilkaset milionów lat powierzchnia planety była zbyt gorąca oraz silnie bombardowana przez komety i asteroidy, aby mogła być odpowiednia dla jakiejkolwiek formy życia. Około miliarda lat później życie nie tylko istniało, ale także pozostawiało dowody swojej obecności w postaci skamieniałych mat mikrobiologicznych.

Co więc wydarzyło się w międzyczasie? W jaki sposób życie powstało z braku życia w ciągu pół miliarda lat?

1. Wywołane przez uderzenie pioruna 

Tak sugeruje Jim Cleaves, przewodniczący wydziału chemii na Uniwersytecie Howarda i współautor książki „A Brief History of Creation: Science and the Search for the Origin of Life”. W latach pięćdziesiątych XX wieku nagrodzony Nagrodą Nobla chemik Harold Urey zauważył, że większość atmosfer w Układzie Słonecznym jest zdominowana przez azot i metan. Urey doszedł do wniosku, że wczesna Ziemia również miała tego typu atmosferę, a obecność życia przekształciła ją w atmosferę bogatszą w tlen. Urey poinformował również, że ta wcześniejsza atmosfera „mogła być bardzo wydajna w wytwarzaniu związków organicznych, które mogły być prekursorem życia” - wyjaśnia Cleaves. Poprosił swojego studenta Stanleya Millera o opracowanie eksperymentu w celu przetestowania tej teorii. To, co stało się znane jako eksperyment Millera-Ureya, stworzyło zamknięty system, w którym woda została podgrzana i połączona z cząsteczkami wodoru, metanu i amoniaku. Cząsteczki te zostały następnie porażone prądem elektrycznym (w celu przedstawienia błyskawicy) i schłodzone, aby mieszanina skropliła się i spadła z powrotem do wody, jak deszcz. Wyniki były zdumiewające. W ciągu tygodnia eksperymentalny „ocean” zmienił kolor na czerwonawo-brązowy, ponieważ cząsteczki połączyły się, tworząc aminokwasy, budulec życia. Późniejsze badania wykazały, że wczesna atmosfera planety różniła się nieco od eksperymentu stworzonego przez Millera, a jej głównymi składnikami były azot i dwutlenek węgla, z wodorem i metanem obecnymi w mniejszych ilościach. Zasady wyznawane przez Millera pozostają jednak zasadniczo słuszne, gdyż błyskawice łączą się z uderzeniami asteroid i promieniowaniem ultrafioletowym ze Słońca, tworząc cyjanowodór, który następnie reaguje z żelazem wyniesionym przez wodę ze skorupy ziemskiej, tworząc związki chemiczne, takie jak cukry. Te związki chemiczne mogły połączyć się, tworząc nici kwasu rybonukleinowego lub RNA, kluczowego składnika życia, który przechowuje informacje. W pewnym momencie cząsteczki RNA zaczęły się replikować i życie stało się możliwe. W jaki sposób te cząsteczki RNA rozwinęły się w złożone struktury komórkowe otoczone membranami ochronnymi? Kluczem mogą być koacerwaty - kropelki zawierające białka i kwasy nukleinowe, które są w stanie wiązać ze sobą swoje składniki podobnie jak komórki, ale bez użycia błon. Kilku badaczy postawiło hipotezę, że takie kropelki działały jak protokomórki, które koncentrowały wczesne RNA i inne związki organiczne.

2. Sprowadzone na Ziemię z kosmosu

Według innej teorii, aminokwasy, a także niektóre inne kluczowe elementy budulcowe życia, takie jak węgiel i woda, mogły zostać przyniesione na pierwotną Ziemię z kosmosu. Stwierdzono, że komety i meteoryty zawierają niektóre z tych samych organicznych elementów budulcowych życia, a ich wczesne bombardowanie Ziemi mogło zwiększyć dostępność aminokwasów. Według nagrodzonego Nagrodą Nobla chemika Jacka Szostaka z Uniwersytetu z Chicago, który kieruje interdyscyplinarną inicjatywą Origins of Life, uderzenia asteroid i komet były na pewno integralną częścią tego procesu. Zauważa on, że wczesna atmosfera składająca się z azotu i dwutlenku węgla byłaby mniej sprzyjająca niektórym z proponowanych reakcji chemicznych, które miały miejsce w miksturze wodoru, metanu i amoniaku Millera ale, jak wyjaśnia, umiarkowanej wielkości uderzenie może przejściowo wytworzyć atmosferyczny wodór i metan, pozwalając na tymczasowy wstrząs warunków tworzących związki.

„To jak mieć ciastko i zjeść ciastko” - wyjaśnia.

3. Ukryte w ziemskich oceanach

Inna teoria zakłada, że życie mogło rozpocząć się głęboko w oceanie, wokół kominów hydrotermalnych na dnie morza, ale Szostak odrzuca tę hipotezę. „Jeśli spojrzeć na chemię, która prowadzi od prostych materiałów wyjściowych do nukleotydów i RNA, istnieje wiele etapów, które wymagają promieniowania UV ze Słońca do napędzania reakcji” - wyjaśnia. „Energia słoneczna jest zdecydowanie największym źródłem energii, nawet na wczesnej planecie. Tak więc, jeśli istnieje wiele etapów chemicznych, które wymagają promieniowania UV, nie można być w głębokim oceanie". Jest jednak prawie pewne, że życie zaczęło się w wodzie. „Do zachodzenia reakcji chemicznych potrzebny jest rozpuszczalnik” - podkreśla Cleaves. „Potrzebujesz płynu, a kiedy zaczynamy mówić o płynach, tylko kilka z nich jest stabilnych w warunkach panujących na powierzchni planety. Nawet we wczesnym Układzie Słonecznym woda występuje w największej ilości”. Szostak argumentuje, że znacznie bardziej prawdopodobne niż powstanie życia w głębokim oceanie jest to, że powstało ono "na powierzchni, prawdopodobnie w płytkich stawach lub w środowisku typu gorących źródeł: rodzaj środowiska, które jest bardzo powszechne w miejscach uderzenia lub regionach wulkanicznych" (rzeczywiście, rozległa aktywność wulkaniczna również mogła przyczynić się do powstania życia, między innymi poprzez generowanie ogromnych ilości wyładowań atmosferycznych). Możliwe jest, że chociaż całe życie na Ziemi ma dziś wspólnego uniwersalnego przodka, nieznaną mikrobiologiczną formę życia, która prawdopodobnie już dawno zniknęła, samo życie mogło rozpocząć się przy wielu różnych okazjach kilkoma różnymi ścieżkami, tylko po to, by zostać zgaszonym przez uderzenia komet lub po prostu nie zyskać przyczepności, aż do momentu powstania cząsteczki opartej na RNA, która jest przodkiem nas wszystkich. „To naprawdę mógł być rzut kostką” - mówi Cleaves. 

Wczesne życie wciąż pozostaje tajemnicą.

Jeśli tak się stało - jeśli życie zaczęło się i wygasło więcej niż raz, zanim się zakorzeniło – tak naprawdę nigdy nie dowiemy się, ponieważ takie domniemane formy życia nie pozostawiły śladu swojego istnienia. Życie mogło podążać zupełnie inną ścieżką, która nie doprowadziłaby do powstania kwiatów, drzew, dinozaurów czy ludzi. Kluczem do zrozumienia tego wszystkiego, mówi Szostak, jest zastąpienie dużego pytania serią znacznie mniejszych. „Życie jest tak skomplikowanym systemem, że najprostsza bakteria lub wirus ma tysiące ruchomych części. Trudno zrozumieć, jak coś takiego mogło pojawić się znikąd” - mówi. „Odpowiedź brzmi, że tak się nie stało. Stało się to krok po kroku”.