Jak powstało życie?
W SKRÓCIE: Tajemnica powstania życia z materii nieożywionej pozostaje w znacznym stopniu nierozwikłana.
Wprowadzenie
Mimo iż wiemy dość dużo o warunkach panujących na Ziemi 3-4 miliardy lat temu oraz znamy złożoność budowy kluczowych dla funkcjonowania organizmów żywych związków chemicznych, takich jak DNA, RNA, aminokwasy czy cukry, wciąż nie udało się sformułować prawdopodobnego naukowego wyjaśnienia, tłumaczącego spontaniczne pojawienie się życia. Powstanie materii ożywionej z nieożywionej – czyli abiogeneza – pozostaje dla nas tajemnicą.
Wnioski z badań nad początkiem życia, w odróżnieniu od innych gałęzi nauki, prawdopodobnie nie przyniosą nam zbyt wielu praktycznych zastosowań. Z tego powodu, badania w zakresie abiogenezy nie są tak szeroko zakrojone, jak prace w innych dziedzinach. Mimo to, zaproponowano wiele możliwych hipotez i perspektyw spojrzenia na problem. Bardzo możliwe, że już niedługo uda się również wypracować szeroki konsensus naukowy.
Bóg mógł stworzyć pierwszą żywą komórkę na drodze naturalnych procesów lub posłużyć się cudem. Niezależnie od tego, jak było w rzeczywistości, BioLogos uznaje, że to właśnie Bóg stworzył i podtrzymuje wszelkie życie, od momentu jego powstania, aż po dziś dzień. Jeżeli w kwestii abiogenezy pojawi się naukowy konsensus, dołączymy do świętowania, gdyż będzie to oznaczało, że uzyskaliśmy głębsze zrozumienie Boskiego dzieła stworzenia. Bez względu na to, jak w przyszłości rozwinie się nauka, nigdy nie umniejszy ona podziwu i wdzięczności za dar życia, które odczuwamy wobec Boga.
Początki życia na Ziemi
W kontekście rozważań na temat początków życia, kluczowym pierwszym krokiem jest wyjaśnienie, co rozumiemy pod pojęciem życie. Pierwsze formy życia na Ziemi niemal na pewno znacznie różniły się od form życia, które możemy obserwować obecnie. Kuszące może wydawać się wykorzystanie doskonale znanej nam struktury podwójnej helisy DNA, jako cechy definiującej życie. Jednakże, nadrzędnym warunkiem, który musi zostać spełniony, abyśmy mogli mówić o życiu, jest zdolność do autoreplikacji. Pierwsze tego rodzaju samoreplikujące systemy mogły być oparte na DNA, RNA lub jeszcze innych związkach chemicznych. Kluczowymi właściwościami takich systemów musiała być zdolność do gromadzenia związków chemicznych z otaczającego środowiska oraz tworzenia swoich własnych kopii.
Wszelkie życie na Ziemi wykorzystuje węgiel jako swój podstawowy budulec. Jest on najprostszym pierwiastkiem zdolnym do formowania niezwykle złożonych struktur molekularnych, które tak często występują w organizmach żywych. Prawdopodobne wydaje się zatem, że życie opierało się na węglu od samego początku. Związki chemiczne zawierające węgiel są co do zasady klasyfikowane jako organiczne. Badanie naturalnych mechanizmów, które odpowiadają za stworzenie złożonych związków organicznych, jest fundamentalne dla badań nad początkiem życia.
Ziemia liczy sobie około 4,6 miliarda lat. Wszelkie dostępne dowody sugerują, że przez pierwsze 700 milionów lat nie była ona miejscem przyjaznym życiu – głownie ze względu na bardzo wysoką temperaturę. Jednak wraz z upływem czasu, nasza planeta stygła, aż w końcu, około 4 miliardy lat temu, stała się miejscem zdecydowanie bardziej gościnnym. Niewiele więcej niż 100 milionów lat później pojawiły się pierwsze organizmy jednokomórkowe. Skąd się wzięły? Do czego były zdolne?
Wprowadzenie
Mimo iż wiemy dość dużo o warunkach panujących na Ziemi 3-4 miliardy lat temu oraz znamy złożoność budowy kluczowych dla funkcjonowania organizmów żywych związków chemicznych, takich jak DNA, RNA, aminokwasy czy cukry, wciąż nie udało się sformułować prawdopodobnego naukowego wyjaśnienia, tłumaczącego spontaniczne pojawienie się życia. Powstanie materii ożywionej z nieożywionej – czyli abiogeneza – pozostaje dla nas tajemnicą.
Wnioski z badań nad początkiem życia, w odróżnieniu od innych gałęzi nauki, prawdopodobnie nie przyniosą nam zbyt wielu praktycznych zastosowań. Z tego powodu, badania w zakresie abiogenezy nie są tak szeroko zakrojone, jak prace w innych dziedzinach. Mimo to, zaproponowano wiele możliwych hipotez i perspektyw spojrzenia na problem. Bardzo możliwe, że już niedługo uda się również wypracować szeroki konsensus naukowy.
Bóg mógł stworzyć pierwszą żywą komórkę na drodze naturalnych procesów lub posłużyć się cudem. Niezależnie od tego, jak było w rzeczywistości, BioLogos uznaje, że to właśnie Bóg stworzył i podtrzymuje wszelkie życie, od momentu jego powstania, aż po dziś dzień. Jeżeli w kwestii abiogenezy pojawi się naukowy konsensus, dołączymy do świętowania, gdyż będzie to oznaczało, że uzyskaliśmy głębsze zrozumienie Boskiego dzieła stworzenia. Bez względu na to, jak w przyszłości rozwinie się nauka, nigdy nie umniejszy ona podziwu i wdzięczności za dar życia, które odczuwamy wobec Boga.
Początki życia na Ziemi
W kontekście rozważań na temat początków życia, kluczowym pierwszym krokiem jest wyjaśnienie, co rozumiemy pod pojęciem życie. Pierwsze formy życia na Ziemi niemal na pewno znacznie różniły się od form życia, które możemy obserwować obecnie. Kuszące może wydawać się wykorzystanie doskonale znanej nam struktury podwójnej helisy DNA, jako cechy definiującej życie. Jednakże, nadrzędnym warunkiem, który musi zostać spełniony, abyśmy mogli mówić o życiu, jest zdolność do autoreplikacji. Pierwsze tego rodzaju samoreplikujące systemy mogły być oparte na DNA, RNA lub jeszcze innych związkach chemicznych. Kluczowymi właściwościami takich systemów musiała być zdolność do gromadzenia związków chemicznych z otaczającego środowiska oraz tworzenia swoich własnych kopii.
Wszelkie życie na Ziemi wykorzystuje węgiel jako swój podstawowy budulec. Jest on najprostszym pierwiastkiem zdolnym do formowania niezwykle złożonych struktur molekularnych, które tak często występują w organizmach żywych. Prawdopodobne wydaje się zatem, że życie opierało się na węglu od samego początku. Związki chemiczne zawierające węgiel są co do zasady klasyfikowane jako organiczne. Badanie naturalnych mechanizmów, które odpowiadają za stworzenie złożonych związków organicznych, jest fundamentalne dla badań nad początkiem życia.
Ziemia liczy sobie około 4,6 miliarda lat. Wszelkie dostępne dowody sugerują, że przez pierwsze 700 milionów lat nie była ona miejscem przyjaznym życiu – głownie ze względu na bardzo wysoką temperaturę. Jednak wraz z upływem czasu, nasza planeta stygła, aż w końcu, około 4 miliardy lat temu, stała się miejscem zdecydowanie bardziej gościnnym. Niewiele więcej niż 100 milionów lat później pojawiły się pierwsze organizmy jednokomórkowe. Skąd się wzięły? Do czego były zdolne?
Mimo iż nie znamy historii pochodzenia tych pierwotnych form bakteryjnych, wydaje się, że już one korzystały z DNA jako nośnika informacji. Mikrobiolog i fizyk Carl R. Woese sugeruje, że wśród pierwszych bakterii, określanych obecnie mianem archeonów, powszechne było zjawisko poziomego transferu genów. Polega ono na przekazywaniu genów między bakteriami i prowadzi do wymieszania materiału genetycznego w populacji. Sprawia to, że cechy występujące u bakterii są bardziej zróżnicowane i mogą być swobodniej kształtowane przez dobór naturalny. W dalszej części artykułu spróbujemy odpowiedzieć na pytanie o pochodzenie tych pierwotnych organizmów.
Eksperyment Millera-Ureya
Często przywoływaną koncepcją powstania życia jest hipoteza „małej ciepłej sadzawki” autorstwa Karola Darwina, postulująca, że życie mogło powstać z nieorganicznych związków chemicznych przy dostarczeniu odpowiedniej dozy energii. Radziecki biochemik Aleksandr Iwanowicz Oparin rozbudował tę hipotezę, postulując, że życie powstało w warunkach beztlenowych, w wyniku procesów napędzanych energią pochodzącą ze Słońca. Tego rodzaju założenia leżą u podstaw wielu dalszych badań nad początkami życia, w tym słynnego eksperymentu Millera-Ureya.
W roku 1953 na Uniwersytecie Chicagowskim, Stanley Miller i Harold Urey przeprowadzili eksperyment mający rzucić nowe światło na początki życia. Naukowcy odtworzyli, zgodnie ze swoją najlepszą wiedzą, warunki panujące na Ziemi w czasie, gdy powstawało na niej życie. Traktując wodny roztwór substancji nieorganicznych impulsami elektrycznymi, uzyskali oni aminokwasy – elementy składowe białek. Wyniki eksperymentu zachęcały do dalszych badań. Niektórym naukowcom wydawało się wówczas, że rozwiązanie tajemnicy życia czeka tuż za rogiem.
Eksperyment Millera-Ureya
Często przywoływaną koncepcją powstania życia jest hipoteza „małej ciepłej sadzawki” autorstwa Karola Darwina, postulująca, że życie mogło powstać z nieorganicznych związków chemicznych przy dostarczeniu odpowiedniej dozy energii. Radziecki biochemik Aleksandr Iwanowicz Oparin rozbudował tę hipotezę, postulując, że życie powstało w warunkach beztlenowych, w wyniku procesów napędzanych energią pochodzącą ze Słońca. Tego rodzaju założenia leżą u podstaw wielu dalszych badań nad początkami życia, w tym słynnego eksperymentu Millera-Ureya.
W roku 1953 na Uniwersytecie Chicagowskim, Stanley Miller i Harold Urey przeprowadzili eksperyment mający rzucić nowe światło na początki życia. Naukowcy odtworzyli, zgodnie ze swoją najlepszą wiedzą, warunki panujące na Ziemi w czasie, gdy powstawało na niej życie. Traktując wodny roztwór substancji nieorganicznych impulsami elektrycznymi, uzyskali oni aminokwasy – elementy składowe białek. Wyniki eksperymentu zachęcały do dalszych badań. Niektórym naukowcom wydawało się wówczas, że rozwiązanie tajemnicy życia czeka tuż za rogiem.
Późniejsze badania Joana Oro przeprowadzone na Uniwersytecie w Houston i opublikowane w roku 1961, wykazały, że newralgiczny składnik DNA – adeninę – jak również kilka aminokwasów, można uzyskać poprzez podgrzewanie nieorganicznego związku chemicznego – cyjanowodoru – w wodzie amoniakalnej. Mimo że tego rodzaju eksperymenty dostarczyły pewnych wskazówek, ich wyniki nie dają nam pełnej odpowiedzi na pytania o pochodzenie życia. Jedną rzeczą jest bowiem uzyskanie materii organicznej, a zupełnie inną – stworzenie z niej samoreplikującego systemu.
W ostatnich latach, wyniki opisanych powyżej eksperymentów zostały zrewidowane z użyciem dokładniejszych metod pomiarowych. Współcześni badacze odkryli, że podczas eksperymentu Millera-Ureya powstały jeszcze inne aminokwasy oraz składniki budulcowe, które oryginalnie nie zostały wykryte. Miller kontynuował swoje eksperymenty związane z pochodzeniem życia. Mimo iż ostatecznie nie udało mu się rozwikłać tej tajemnicy, członkowie jego zespołu badawczego wykazali, że aminokwasy i inne składniki budulcowe niezbędne do powstania życia, mogą powstać z materii nieorganicznej również w ekstremalnie niskich temperaturach.
Formowanie życia
W dalszym ciągu nie wiemy, w jaki sposób ukształtowały się aminokwasy, nukleotydy i cukry. Nie wiemy, w jaki sposób uformowały się w DNA i RNA. Wreszcie, nie wiemy również, w jaki sposób elementy składowe zaczęły się replikować i skąd wzięły się enzymy wspomagające ten proces. Wszelkie próby wyjaśnienia tych zjawisk mają charakter spekulatywny. Istnieje jednak wiele interesujących hipotez, które poddawane są dalszym analizom. Należą do nich hipotezy dotyczące kominów hydrotermalnych położonych na dnie oceanu, radioaktywnych plaż oraz kryształów substancji ilastych. Inni naukowcy, w tym między innymi Francis Crick, uważają, że jedynym wytłumaczeniem jest przybycie życia na Ziemię z innej planety. Jednak taka odpowiedź w dalszym ciągu wymaga wyjaśnienia, jak powstało owo pozaziemskie życie. Wciąż nie sformułowano przekonującej teorii tłumaczącej pochodzenie życia na Ziemi.
Wyróżniamy dwie nadrzędne ewolucyjne koncepcje powstania życia: hipotezę pierwszeństwa genu oraz hipotezę pierwszeństwa metabolizmu. Hipotezy zakładające, że to gen powstał wcześniej, skupiają się obecnie raczej na RNA, a nie DNA. Z uwagi na fakt, że niektóre cząsteczki RNA mogą funkcjonować jako enzymy, zwolennicy pierwszeństwa genu postulują, że RNA działało jako nośnik informacji oraz, jednocześnie, uczestniczyło w replikacji. W takim wypadku, powstanie RNA musiałoby poprzedzać pojawienie się DNA i syntezy białek. Z drugiej strony, zwolennicy pierwszeństwa metabolizmu postulują, że materiały prebiotyczne utworzyły cykle chemiczne i sieci reakcji chemicznych, które następnie zapoczątkowały proste szlaki metaboliczne. Owe szlaki miałyby istnieć przed powstaniem RNA i dostarczyć odpowiednich warunków środowiskowych, aby replikacja RNA mogła się pojawić. Pomimo wielowątkowych badań, wciąż brak jest jednoznacznych dowodów na potwierdzenie którejś z hipotez.
O ile naukowcom udało się niedawno wytworzyć w warunkach laboratoryjnych samoreplikujące DNA z cząstek prebiotycznych, o tyle trudno zrozumieć, w jaki sposób RNA – wyjątkowo niestabilny polimer – miałby podtrzymać samoreplikujące systemy w niesprzyjających warunkach chemicznych i termicznych, które panowały na Ziemi na krótko po jej narodzinach.
Podsumowanie
Niezależnie od tego, w jaki sposób powstało życie, wiemy, że z całą pewnością powstało, a pierwsze formy życia jednokomórkowego zaczęły rozmnażać się i różnicować. Brak naukowego konsensusu w kwestii początków życia nie osłabia siły teorii ewolucji, która dotyczy jedynie rozwoju różnorodności zastanego już życia, nie wypowiadając się na temat jego pochodzenia.
Mimo że kwestia powstania życia stanowi nierozwikłaną zagadkę nauki, nie jest to sprawa, którą, jako wierzący, musielibyśmy stawiać na ostrzu noża. Wszystko, co wydarzyło się w historii życia, stało się zgodnie z suwerenną wolą Bożą, a Chrystus „jest przed wszystkimi rzeczami i wszystko na Nim jest ugruntowane” (List do Kolosan 1:17).
© BioLogos Foundation | Wersja artykułu: 2 luty 2019
W ostatnich latach, wyniki opisanych powyżej eksperymentów zostały zrewidowane z użyciem dokładniejszych metod pomiarowych. Współcześni badacze odkryli, że podczas eksperymentu Millera-Ureya powstały jeszcze inne aminokwasy oraz składniki budulcowe, które oryginalnie nie zostały wykryte. Miller kontynuował swoje eksperymenty związane z pochodzeniem życia. Mimo iż ostatecznie nie udało mu się rozwikłać tej tajemnicy, członkowie jego zespołu badawczego wykazali, że aminokwasy i inne składniki budulcowe niezbędne do powstania życia, mogą powstać z materii nieorganicznej również w ekstremalnie niskich temperaturach.
Formowanie życia
W dalszym ciągu nie wiemy, w jaki sposób ukształtowały się aminokwasy, nukleotydy i cukry. Nie wiemy, w jaki sposób uformowały się w DNA i RNA. Wreszcie, nie wiemy również, w jaki sposób elementy składowe zaczęły się replikować i skąd wzięły się enzymy wspomagające ten proces. Wszelkie próby wyjaśnienia tych zjawisk mają charakter spekulatywny. Istnieje jednak wiele interesujących hipotez, które poddawane są dalszym analizom. Należą do nich hipotezy dotyczące kominów hydrotermalnych położonych na dnie oceanu, radioaktywnych plaż oraz kryształów substancji ilastych. Inni naukowcy, w tym między innymi Francis Crick, uważają, że jedynym wytłumaczeniem jest przybycie życia na Ziemię z innej planety. Jednak taka odpowiedź w dalszym ciągu wymaga wyjaśnienia, jak powstało owo pozaziemskie życie. Wciąż nie sformułowano przekonującej teorii tłumaczącej pochodzenie życia na Ziemi.
Wyróżniamy dwie nadrzędne ewolucyjne koncepcje powstania życia: hipotezę pierwszeństwa genu oraz hipotezę pierwszeństwa metabolizmu. Hipotezy zakładające, że to gen powstał wcześniej, skupiają się obecnie raczej na RNA, a nie DNA. Z uwagi na fakt, że niektóre cząsteczki RNA mogą funkcjonować jako enzymy, zwolennicy pierwszeństwa genu postulują, że RNA działało jako nośnik informacji oraz, jednocześnie, uczestniczyło w replikacji. W takim wypadku, powstanie RNA musiałoby poprzedzać pojawienie się DNA i syntezy białek. Z drugiej strony, zwolennicy pierwszeństwa metabolizmu postulują, że materiały prebiotyczne utworzyły cykle chemiczne i sieci reakcji chemicznych, które następnie zapoczątkowały proste szlaki metaboliczne. Owe szlaki miałyby istnieć przed powstaniem RNA i dostarczyć odpowiednich warunków środowiskowych, aby replikacja RNA mogła się pojawić. Pomimo wielowątkowych badań, wciąż brak jest jednoznacznych dowodów na potwierdzenie którejś z hipotez.
O ile naukowcom udało się niedawno wytworzyć w warunkach laboratoryjnych samoreplikujące DNA z cząstek prebiotycznych, o tyle trudno zrozumieć, w jaki sposób RNA – wyjątkowo niestabilny polimer – miałby podtrzymać samoreplikujące systemy w niesprzyjających warunkach chemicznych i termicznych, które panowały na Ziemi na krótko po jej narodzinach.
Podsumowanie
Niezależnie od tego, w jaki sposób powstało życie, wiemy, że z całą pewnością powstało, a pierwsze formy życia jednokomórkowego zaczęły rozmnażać się i różnicować. Brak naukowego konsensusu w kwestii początków życia nie osłabia siły teorii ewolucji, która dotyczy jedynie rozwoju różnorodności zastanego już życia, nie wypowiadając się na temat jego pochodzenia.
Mimo że kwestia powstania życia stanowi nierozwikłaną zagadkę nauki, nie jest to sprawa, którą, jako wierzący, musielibyśmy stawiać na ostrzu noża. Wszystko, co wydarzyło się w historii życia, stało się zgodnie z suwerenną wolą Bożą, a Chrystus „jest przed wszystkimi rzeczami i wszystko na Nim jest ugruntowane” (List do Kolosan 1:17).
© BioLogos Foundation | Wersja artykułu: 2 luty 2019