WCZESNA ZIEMIA: WARUNKI I POCZĄTEK ŻYCIA - BIOLOGIA - 2026

Primitive Ziemia to termin, który jest używany w odniesieniu do tego, co nasza planeta była w ciągu pierwszych 1000 milionów lat istnienia. Rozpiętość ta obejmuje Hadic Eon (4600–4 000 Ma) i Eoarchic Era (4 000–3600 Ma) Archaicznego Eonu (4000–2500 Ma). W geologii skrót Ma (z łaciny mega annum) oznacza miliony lat przed teraźniejszością.

Eony hadickie, archaiczne i proterozoiczne (2500–542 mln lat temu) tworzą prekambryj, odnosząc się do skał powstałych przed okresem kambru. Podziały prekambru nie są formalnymi jednostkami stratygraficznymi i są zdefiniowane wyłącznie chronometrycznie.

Źródło: pixabay.com

Powstanie prymitywnej ziemi

Najpowszechniej akceptowanym wyjaśnieniem pochodzenia Wszechświata jest teoria Wielkiego Wybuchu, zgodnie z którą Wszechświat rozszerzał się od początkowej objętości równej zeru (cała materia skoncentrowana w jednym miejscu w jednej chwili, co nazywa się „osobliwością”) do osiągając ogromną liczbę 13,7 miliardów lat temu.

Wszechświat miał już prawie 9 miliardów lat, kiedy 4,567 miliona lat temu uformował się nasz Układ Słoneczny i Wczesna Ziemia. To bardzo dokładne oszacowanie opiera się na datowaniu radiometrycznym meteorytów pochodzących z Układu Słonecznego.

Słońce powstało w wyniku zapadnięcia się obszaru gazowego ośrodka międzygwiazdowego. Kompresja materii jest przyczyną jej wysokich temperatur. Obracający się dysk gazu i pyłu utworzył prymitywną mgławicę słoneczną, z której pochodzą elementy Układu Słonecznego.

Formowanie się Wczesnej Ziemi można wyjaśnić za pomocą „standardowego modelu formowania się planet”.

Pył kosmiczny gromadzi się w procesie zderzeń akrecyjnych, najpierw między małymi ciałami niebieskimi, następnie między planetami zarodkowymi o średnicy do 4000 kilometrów, a na końcu między niewielką liczbą dużych ciał planetarnych.

Warunki prymitywnej Ziemi

W swojej długiej historii Wczesna Ziemia przeszła ogromne zmiany warunków środowiskowych.

Warunki początkowe, kwalifikujące się jako piekielne, były absolutnie wrogie dla wszystkich form życia. Wyróżniają się temperatury, które spowodowały, że wszystkie materiały ziemskie stały się częścią morza magmy, bombardowanie przez meteoryty, asteroidy i małe planety oraz obecność śmiercionośnych zjonizowanych cząstek przyniesionych przez wiatr słoneczny.

Następnie prymitywna Ziemia ostygła, umożliwiając pojawienie się skorupy ziemskiej, wody w stanie ciekłym, atmosfery i warunków fizykochemicznych sprzyjających pojawieniu się pierwszych cząsteczek organicznych, a wreszcie powstaniu i zachowaniu życia.

Hadic Aeon

Wiedza o eonie Hadic pochodzi z analizy niewielkiej liczby próbek ziemskich skał (uformowanych między 4031 a 4,0 Ma), uzupełnionych wnioskami opartymi na badaniach meteorytów i innych materii niebieskich.

Krótko po uformowaniu się Ziemi, już w eonie Hadic, doszło do ostatniego wielkiego zderzenia akrecyjnego z ciałem niebieskim wielkości Marsa. Energia uderzenia stopiła lub wyparowała znaczną część Ziemi.

Koalescencja poprzez ochłodzenie i akrecję pary utworzyła Księżyc. Stopiony materiał, który pozostał na Ziemi, utworzył ocean magmy.

Jądro Ziemi, które jest wykonane z ciekłego metalu, pochodzi z głębi oceanu magmy. Topiona krzemionka, z której powstała skorupa ziemska, stanowiła górną warstwę tego oceanu. Ogromna dynamika tego etapu doprowadziła do zróżnicowania jądra, płaszcza, skorupy ziemskiej, protokołu i atmosfery.

Między 4568 a 4,4 mA Ziemia była wroga dla życia. Nie było kontynentów ani wody w stanie ciekłym, był tylko ocean magmy intensywnie bombardowany przez meteoryty. Jednak w tym okresie zaczęły się rozwijać warunki chemiczno-środowiskowe niezbędne do powstania życia.

To był eoarchiczny

Ogólnie przyjmuje się, że życie powstało w pewnym momencie między epoką hadisów a erą eoarchiczną, chociaż nie są znane żadne mikroskamieniałości, które by to potwierdzały.

Eoarchia była okresem powstawania i niszczenia skorupy ziemskiej. Najstarsza znana formacja skalna, położona na Grenlandii, powstała 3,8 miliarda lat temu. Vaalbará, pierwszy superkontynent na Ziemi, powstał 3,6 miliarda lat temu.

W erze eoarchicznej, między 3950 a 3870 mA, Ziemia i Księżyc doznały niezwykle intensywnego bombardowania meteorytów, które zakończyły okres spokoju, który trwał 400 milionów lat. Najbardziej widocznym skutkiem tego bombardowania są kratery na Księżycu (około 1700 o średnicy powyżej 20 km; 15 o średnicy 300–1200 km).

Na Ziemi to bombardowanie zniszczyło większość skorupy ziemskiej i spowodowało wrzenie oceanów, zabijając całe życie z wyjątkiem prawdopodobnie niektórych bakterii, prawdopodobnie ekstremofilów przystosowanych do wysokich temperatur. Życie ziemskie było na skraju wyginięcia.

Procesy prebiotyczne

W drugiej dekadzie XX wieku rosyjski biochemik Aleksandr Oparin zaproponował, że życie powstało w środowisku takim jak pierwotna Ziemia w procesie ewolucji chemicznej, która początkowo doprowadziła do pojawienia się prostych cząsteczek organicznych.

Atmosfera składałaby się z gazów (para wodna, wodór, amoniak, metan), które uległyby dysocjacji na rodniki pod wpływem światła UV.

Rekombinacja tych rodników spowodowałaby deszcz związków organicznych, tworząc pierwotny bulion, w którym reakcje chemiczne wytwarzałyby cząsteczki zdolne do replikacji.

W 1957 roku Stanley Miller i Harold Urey zademonstrowali za pomocą aparatu zawierającego gorącą wodę i mieszaninę gazów Oparin poddanych działaniu iskier elektrycznych, że mogła nastąpić ewolucja chemiczna.

W tym eksperymencie uzyskano proste związki obecne w organizmach żywych, w tym zasady kwasów nukleinowych, aminokwasy i cukry.

Na następnym etapie ewolucji chemicznej, który również został odtworzony eksperymentalnie, poprzednie związki połączyłyby się, tworząc polimery, które agregowałyby tworząc protobionty. Nie są one zdolne do replikacji, ale mają półprzepuszczalne i pobudliwe błony, takie jak żywe komórki.

Pochodzenie życia

Protobionty przekształciłyby się w żywe istoty, nabywając zdolność rozmnażania się i przekazywania informacji genetycznej następnemu pokoleniu.

W laboratorium krótkie polimery RNA można syntetyzować chemicznie. Wśród polimerów obecnych w protobiontach musiał być RNA.

Kiedy magma zestaliła się, inicjując tworzenie się skorupy prymitywnej Ziemi, erozyjne procesy skał wytwarzały glinę. Ten minerał może adsorbować krótkie polimery RNA na swoich uwodnionych powierzchniach, służąc jako matryca do tworzenia większych cząsteczek RNA.

W laboratorium wykazano również, że krótkie polimery RNA mogą działać jako enzymy, katalizując własną replikację. To pokazuje, że cząsteczki RNA mogły replikować się w protobiontach, ostatecznie tworząc komórki, bez potrzeby stosowania enzymów.

Losowe zmiany (mutacje) w cząsteczkach RNA protobiontów spowodowałyby zmiany, na których mógł działać dobór naturalny. Byłby to początek procesu ewolucyjnego, który zapoczątkował wszystkie formy życia na Ziemi, od prokariontów po rośliny i kręgowce.

Bibliografia

1. Barge, LM 2018. Uwzględnienie środowisk planetarnych w badaniach nad życiem. Nature Communications, DOI: 10.1038 / s41467-018-07493-3.
2. Djokic, T., Van Kranendonk, MJ, Campbell, KA, Walter, MR, Ward, CR 2017. Najwcześniejsze ślady życia na lądzie zachowały się ok. 3,5 Ga osadów gorących źródeł. Nature Communications, DOI: 10.1038 / ncomms15263.
3. Fowler, CMR, Ebinger, CJ, Hawkesworth, CJ (red.). 2002. Wczesna Ziemia: rozwój fizyczny, chemiczny i biologiczny. Towarzystwo Geologiczne, Special Publications 199, Londyn.
4. Gargaud, M., Martin, H., López-García, P., Montmerle, T., Pascal, R. 2012. Młode Słońce, wczesna Ziemia i początki życia: lekcje dla astrobiologii. Springer, Heidelberg.
5. Hedman, M. 2007. Wiek wszystkiego - jak nauka bada przeszłość. University of Chicago Press, Chicago.
6. Jortner, J. 2006. Warunki powstania życia na wczesnej Ziemi: podsumowanie i refleksje. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 361, 1877–1891.
7. Kesler, SE, Ohmoto, H. (red.). 2006. Ewolucja wczesnej atmosfery, hydrosfery i biosfery: ograniczenia spowodowane złożami rud. Geological Society of America, Boulder, Memoir 198.
8. Lunine, JI 2006. Warunki fizyczne na wczesnej Ziemi. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 361, 1721–1731.
9. Ogg, JG, Ogg, G., Gradstein, FM 2008. Zwięzła geologiczna skala czasu. Cambridge, Nowy Jork.
10. Rollinson, HR 2007. Wczesne systemy Ziemi: podejście geochemiczne. Blackwell, Malden.
11. Shaw, GH 2016. Wczesna atmosfera Ziemi i oceany oraz pochodzenie życia. Springer, Cham.
12. Teerikorpi, P., Valtonen, M., Lehto, K., Lehto, H., Byrd, G., Chernin, A. 2009. Ewoluujący wszechświat i pochodzenie życia - poszukiwanie naszych kosmicznych korzeni. Springer, Nowy Jork.
13. Wacey, D. 2009. Wczesne życie na Ziemi: praktyczny przewodnik. Springer, Nowy Jork.
14. Wickramasinghe, J., Wickramasinghe, C., Napier, W. 2010. Komety i pochodzenie życia. World Scientific, New Jersey.