ABIOGENEZA: GŁÓWNE TEORIE - BIOLOGIA - 2026

Abiogenezy odnosi się do szeregu procesów i etapów, które powstały z pierwszej formy życia na ziemi, obojętnych monomerów bloków wyjściowych, z upływem czasu były w stanie się zwiększać ich złożoność. W świetle tej teorii życie powstało z nieożywionych cząsteczek w odpowiednich warunkach.

Jest prawdopodobne, że po stworzeniu przez abiogenezę prostych systemów życia, biologiczna ewolucja doprowadziła do powstania wszystkich złożonych form życia, które istnieją obecnie.

Źródło: pixabay.com

Niektórzy badacze uważają, że procesy abiogenezy musiały zaistnieć przynajmniej raz w historii Ziemi, aby dać początek hipotetycznemu organizmowi LUCA lub ostatniemu powszechnemu przodkowi (z angielskiego akronimu, ostatni powszechny wspólny przodek), około 4 miliardy temu lat.

Sugeruje się, że LUCA musiała mieć kod genetyczny oparty na cząsteczce DNA, która ze swoimi czterema zasadami pogrupowanymi w tryplety kodowała 20 typów aminokwasów tworzących białka. Naukowcy próbujący zrozumieć pochodzenie życia badają procesy abiogenezy, które dały początek LUCA.

Odpowiedź na to pytanie była szeroko kwestionowana i często spowita mgłą tajemnicy i niepewności. Z tego powodu setki biologów zaproponowało szereg teorii, które sięgają od powstania pierwotnej zupy po wyjaśnienia związane z ksenobiologią i astrobiologią.

Z czego to się składa?

Teoria abiogenezy opiera się na procesie chemicznym, w wyniku którego z martwych prekursorów wyłoniły się najprostsze formy życia.

Zakłada się, że proces abiogenezy zachodził w sposób ciągły, w przeciwieństwie do poglądu o nagłym pojawieniu się w szczęśliwym przypadku. Zatem teoria ta zakłada istnienie kontinuum między materią nieożywioną a pierwszymi żywymi systemami.

Podobnie sugeruje się szereg różnych scenariuszy, w których początek życia może nastąpić z cząsteczek nieorganicznych. Te środowiska są na ogół ekstremalne i różnią się od obecnych warunków na Ziemi.

Te rzekome warunki prebiotyczne są często odtwarzane w laboratorium w celu próby wytworzenia cząsteczek organicznych, jak w słynnym eksperymencie Millera i Urey'a.

Pochodzenie życia: teorie

Pochodzenie życia było jednym z najbardziej kontrowersyjnych tematów dla naukowców i filozofów od czasów Arystotelesa. Według tego ważnego myśliciela rozkładająca się materia mogła zostać przekształcona w żywe zwierzęta dzięki spontanicznemu działaniu natury.

Abiogenezę w świetle myśli Arystotelesa można podsumować w jego słynnym wyrażeniu omne vivum ex vivo, które oznacza „całe życie pochodzi z życia”.

Następnie dość duża liczba modeli, teorii i spekulacji próbowała wyjaśnić warunki i procesy, które doprowadziły do ​​powstania życia.

Najwybitniejsze teorie, zarówno z historycznego, jak i naukowego punktu widzenia, które starały się wyjaśnić pochodzenie pierwszych żywych systemów, zostaną opisane poniżej:

Teoria spontanicznego generowania

Na początku XVII wieku postulowano, że formy życia mogą wyłonić się z martwych elementów. Teoria spontanicznego generowania się była szeroko akceptowana przez myślicieli tamtych czasów, ponieważ miała poparcie Kościoła katolickiego. W ten sposób żywe istoty mogą kiełkować zarówno od swoich rodziców, jak iz materii nieożywionej.

Do najsłynniejszych przykładów wykorzystanych na poparcie tej teorii należą robaki i inne owady w rozłożonym mięsie, żaby, które wyłoniły się z błota oraz myszy, które wyłoniły się z brudnych ubrań i potu.

W rzeczywistości istniały przepisy, które obiecały stworzenie żywych zwierząt. Na przykład, aby stworzyć myszy z materii nieożywionej, ziarna pszenicy musiały być połączone z brudną odzieżą w ciemnym otoczeniu, a żywe gryzonie pojawiały się w ciągu dni.

Zwolennicy tej mieszanki argumentowali, że ludzki pot na ubraniu i fermentacja pszenicy były czynnikami kierującymi formowaniem się życia.

Obalenie spontanicznego pokolenia

W XVII wieku w wypowiedziach teorii spontanicznego generowania zaczęto dostrzegać wady i luki. Dopiero w 1668 roku włoski fizyk Francesco Redi opracował odpowiedni projekt eksperymentalny, aby go odrzucić.

W swoich kontrolowanych eksperymentach Redi umieszczała drobno pokrojone kawałki mięsa zawinięte w muślin w sterylnych pojemnikach. Te słoiki były odpowiednio przykryte gazą, aby nic nie mogło wejść w kontakt z mięsem. Eksperyment obejmował również inny zestaw słoików, które nie były zakorkowane.

W ciągu dni robaki obserwowano tylko w słoikach, które były odkryte, ponieważ muchy mogły swobodnie wchodzić i składać jaja. W przypadku słoików zakrytych jaja układano bezpośrednio na gazie.

Podobnie badacz Lazzaro Spallanzani opracował serię eksperymentów, aby odrzucić przesłanki spontanicznego generowania. Aby to zrobić, zrobił serię bulionów, które poddał przedłużonemu gotowaniu, aby zniszczyć wszelkie mikroorganizmy, które tam będą żyć.

Zwolennicy spontanicznego generowania twierdzili jednak, że ilość ciepła, na jakie narażone były buliony, była nadmierna i niszczyła „siłę życiową”.

Wkład Pasteura

Później, w 1864 roku, francuski biolog i chemik Louis Pasteur postanowił położyć kres postulatom spontanicznego rodzenia się.

Aby osiągnąć ten cel, Pasteur wyprodukował szklane pojemniki znane jako „kolby na gęsiej szyjce”, ponieważ były długie i zakrzywione na końcach, zapobiegając w ten sposób przedostawaniu się jakichkolwiek mikroorganizmów.

W tych pojemnikach Pasteur ugotował serię bulionów, które pozostały sterylne. Kiedy jeden z nich został złamany, został skażony i w krótkim czasie rozmnożyły się mikroorganizmy.

Dowody dostarczone przez Pasteura były niepodważalne i zdołały obalić teorię, która przetrwała ponad 2500 lat.

Panspermia

Na początku XX wieku szwedzki chemik Svante Arrhenius napisał książkę zatytułowaną „The Creation of Worlds”, w której zasugerował, że życie pochodzi z kosmosu poprzez zarodniki odporne na ekstremalne warunki.

Logicznie rzecz biorąc, teoria panspermii była przedmiotem wielu kontrowersji, poza tym nie wyjaśniała pochodzenia życia.

Teoria chemosyntetyczna

Badając eksperymenty Pasteura, jednym z pośrednich wniosków płynących z jego dowodów jest to, że mikroorganizmy rozwijają się tylko z innych, to znaczy życie może pochodzić tylko z życia. Zjawisko to nazwano „biogenezą”.

Zgodnie z tą perspektywą wyłoniłyby się teorie ewolucji chemicznej, kierowane przez Rosjanina Aleksandra Oparina i Anglika Johna DS Haldane'a.

Pogląd ten, zwany również teorią chemosyntezy Oparina-Haldana, sugeruje, że w środowisku prebiotycznym ziemia miała atmosferę pozbawioną tlenu i bogatą w parę wodną, ​​metan, amoniak, dwutlenek węgla i wodór, co czyni ją wysoce redukcyjną.

W tym środowisku występowały różne siły, takie jak wyładowania elektryczne, promieniowanie słoneczne i radioaktywność. Siły te działały na związki nieorganiczne, powodując powstanie większych cząsteczek, tworząc cząsteczki organiczne znane jako związki prebiotyczne.

Eksperyment Millera i Ureya

W połowie lat pięćdziesiątych XX wieku badaczom Stanleyowi L. Millerowi i Haroldowi C. Ureyowi udało się stworzyć genialny system, który symulował domniemane starożytne warunki panujące na Ziemi zgodnie z teorią Oparina-Haldane'a.

Stanley i Urey odkryli, że w tych „prymitywnych” warunkach z prostych związków nieorganicznych mogą powstać złożone, niezbędne do życia cząsteczki organiczne, takie jak między innymi aminokwasy, kwasy tłuszczowe, mocznik.

Tworzenie polimeru

Chociaż wyżej wymienione eksperymenty sugerują wiarygodny sposób, w jaki powstały biocząsteczki, które są częścią żywych systemów, nie sugerują one żadnego wyjaśnienia procesu polimeryzacji i zwiększonej złożoności.

Istnieje kilka modeli, które próbują wyjaśnić to pytanie. Pierwsza obejmuje stałe powierzchnie mineralne, których duża powierzchnia i krzemiany mogą działać jako katalizatory dla cząsteczek węgla.

Głęboko w oceanie kominy hydrotermalne są odpowiednim źródłem katalizatorów, takich jak żelazo i nikiel. Zgodnie z doświadczeniami laboratoryjnymi metale te uczestniczą w reakcjach polimeryzacji.

Wreszcie w rowach oceanicznych znajdują się gorące baseny, które w wyniku procesów parowania mogą sprzyjać koncentracji monomerów, sprzyjając tworzeniu się bardziej złożonych cząsteczek. Na tym założeniu opiera się hipoteza „pierwotnej zupy”.

Pojednanie wyników Millera i Pasteura

Zgodnie z kolejnością idei omówioną w poprzednich sekcjach, mamy, że eksperymenty Pasteura wykazały, że życie nie powstaje z materiałów obojętnych, podczas gdy dowody Millera i Urey wskazują, że tak, ale na poziomie molekularnym.

Aby pogodzić oba wyniki, należy pamiętać, że skład atmosfery ziemskiej jest obecnie zupełnie inny od atmosfery prebiotycznej.

Tlen obecny w obecnej atmosferze działałby jako „niszczyciel” tworzących się cząsteczek. Należy również wziąć pod uwagę, że źródła energii, które rzekomo napędzały powstawanie cząsteczek organicznych, nie są już obecne z częstotliwością i intensywnością środowiska prebiotycznego.

Wszystkie formy życia obecne na Ziemi składają się z zestawu bloków strukturalnych i dużych biomolekuł, zwanych białkami, kwasami nukleinowymi i lipidami. Za ich pomocą możesz „uzbroić” podstawę obecnego życia: komórki.

W komórce życie jest uwiecznione i na tej zasadzie Pasteur opiera się na stwierdzeniu, że każda żywa istota musi pochodzić z innej, istniejącej wcześniej.

Świat RNA

Rola autokatalizy podczas abiogenezy jest kluczowa, dlatego jedną z najsłynniejszych hipotez na temat pochodzenia życia jest świat RNA, który postuluje start od jednołańcuchowych cząsteczek o zdolności do samoreplikacji.

To pojęcie RNA sugeruje, że pierwsze biokatalizatory nie były cząsteczkami o charakterze białkowym, ale raczej cząsteczkami RNA - lub podobnym do niego polimerem - ze zdolnością do katalizowania.

Założenie to opiera się na zdolności RNA do syntetyzowania krótkich fragmentów za pomocą renaturacji, która kieruje procesem, oprócz promowania tworzenia peptydów, estrów i wiązań glikozydowych.

Zgodnie z tą teorią rodowe RNA było związane z niektórymi kofaktorami, takimi jak metale, pirymidyny i aminokwasy. Wraz z postępem i rosnącą złożonością metabolizmu pojawia się zdolność do syntezy polipeptydów.

W toku ewolucji RNA zostało zastąpione bardziej stabilną chemicznie cząsteczką: DNA.

Aktualne koncepcje powstania życia

Obecnie podejrzewa się, że życie powstało w skrajnym scenariuszu: na obszarach oceanicznych w pobliżu kominów wulkanicznych, gdzie temperatura może osiągnąć 250 ° C, a ciśnienie atmosferyczne przekracza 300 atmosfer.

Podejrzenie to wynika z różnorodności form życia występujących w tych wrogich regionach i zasada ta jest znana jako „teoria gorącego świata”.

Środowiska te zostały skolonizowane przez archebakterie, organizmy zdolne do wzrostu, rozwoju i rozmnażania się w ekstremalnych środowiskach, prawdopodobnie bardzo podobnych do warunków prebiotycznych (wśród nich niskie stężenia tlenu i wysokie poziomy CO ₂ ).

Stabilność termiczna tych środowisk, ochrona, jaką zapewniają one przed nagłymi zmianami i stały przepływ gazów to tylko niektóre z pozytywnych cech, które sprawiają, że dno morskie i wulkaniczne otwory wentylacyjne są odpowiednim środowiskiem do powstania życia.

Terminy biogenezy i abiogenezy

W 1974 roku znany badacz Carl Sagan opublikował artykuł wyjaśniający zastosowanie terminów biogeneza i abiogeneza. Według Sagana oba terminy zostały błędnie użyte w artykułach dotyczących wyjaśnienia pochodzenia pierwszych żywych form.

Wśród tych błędów jest używanie terminu biogeneza jako własnego antonimu. Oznacza to, że biogeneza jest używana do opisu pochodzenia życia, począwszy od innych żywych form, podczas gdy abiogeneza odnosi się do pochodzenia życia z materii nieożywionej.

W tym sensie współczesny szlak biochemiczny jest uważany za biogenny, a prebiologiczny szlak metaboliczny jest abiogenny. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na użycie obu terminów.

Bibliografia

1. Bergman, J. (2000). Dlaczego abiogeneza jest niemożliwa. Creation Research Society Quarterly, 36 (4).
2. Pross, A. i Pascal, R. (2013). Geneza życia: to, co wiemy, co możemy wiedzieć, a czego nigdy się nie dowiemy. Open Biology, 3 (3), 120190.
3. Sadava, D. i Purves, WH (2009). Życie: nauka o biologii. Panamerican Medical Ed.
4. Sagan, C. (1974). W terminach „biogeneza” i „abiogeneza”. Origins of Life and Evolution of Biospheres, 5 (3), 529–529.
5. Schmidt, M. (2010). Ksenobiologia: nowa forma życia jako ostateczne narzędzie bezpieczeństwa biologicznego. Bioessays, 32 (4), 322–331.
6. Serafino, L. (2016). Abiogeneza jako wyzwanie teoretyczne: kilka refleksji. Journal of theoretical biology, 402, 18–20.