In bilo je življenje
Na začetku ni bilo ničesar. Le pusta vulkanska pokrajina, na mestih prekrita z vodo. Spokojnost dežele so občasno zmotili močni bliski in občasni padci kometov. Nato pa je v nekem trenutku, pred približno 4 milijardami let, iz tega niča vzniknilo življenje. Ne vemo, kakšno je izgledalo ter kako se je obnašalo, vendar je na neki točki začelo rasti in se množiti.
Potomci teh prvih organizmov so počasi prevzeli morja in kasneje tudi kopna ter so danes prisotni v skorajda vseh kotičkih sveta. Vse življenje se je razvilo iz enega skupnega prednika, ene skupne celice. A razložiti nastanek prve celice je morda še težje kot razložiti razvoj živega po njenem pojavu. V tokratni oddaji Frequenca della scienza vam bomo predstavili znanstvene teorije o abiogenezi, nastanku živega iz neživega, ter kaj vse znanost v zvezi s tem še ne zmore obrazložiti.
Če je danes osnovna predpostavka biologije, da vsaka nova celica vznikne z delitvijo starejše celice, potem smo postavljeni pred neizogibno dilemo. Od kje je prišla prva celica? Očitno so morali na začetku delovati nekakšni nebiološki mehanizmi, ki so lahko pripeljali do organizacije prvega življenja.
Tukaj nastopi skoraj ironična opazka. Znanost je danes sposobna zelo natančno razložiti razvoj vseh možnih kompleksnih struktur življenja, vendar pa se ji pri opisu nastanka preproste celice zaplete. Klasična orodja biološke znanosti, kot sta genetika in fiziologija, tukaj omagajo, saj nas pri vprašanju nastanka življenja zanima sam nastanek pojavov, ki jih genetika in fiziologija zgolj opisujeta.
Problem je kakopak povezan s tem, da znanost nima neposrednega vpogleda v to, kako je izgledala mlada Zemlja - katere snovi so se nahajale na njej in kateri procesi so potekali, da se je življenje lahko razvilo. Na Zemlji se do danes ni ohranilo mnogo ostankov stvari, kakršne so bile pred štirimi milijardami let. Prav iz tega razloga bo vsako znanstveno teorijo nastanka življenja oziroma abiogeneze spremljal dvom in negotovost o njeni veljavnosti. In vendar morajo znastveniki in znanstvenice, če želijo podati zadovoljiv odgovor na vprašanje vznika življenja, poskušati poustvariti prav te razmere, do katerih pa nimajo direktnega dostopa, niti o njih nimajo neposredne vednosti.
Morda je izhodišče soočenja z vprašanjem nastanka tako imenovanega prvega življenja dejstvo, da vse, kar je na Zemlji živo, le ni neskončno raznoliko, temveč ima nekatere skupne značilnosti. Vsako življenje mora zadovoljivo izvajati nekatere funkcije, da lahko o njem sploh govorimo kot o živem. Kaj je minimalno potrebno za življenje, nam opiše predavatelj biologije na gimnaziji Bežigrad Andrej Podobnik.
Naloga znanosti je torej opisati, kako so iz preprostih kemijskih reakcij med snovmi, prisotnimi na mladi Zemlji, vzniknile kompleksne povezave organskih molekul. Ter nadalje kako so te povezave skupaj uspele izvajati naloge, značilne za vse življenje. Skozi današnjo oddajo vas bomo po korakih popeljali čez vprašanja nastanka življenja.
V oddaji bomo šli čez ključne znanstvene teme, povezane z nastankom življenja, ki se jih da strniti v tri temeljna vprašanja. Andrej Podobnik:
Pa pojdimo po vrsti. Danes splošno uveljavljena razlaga postavlja začetek planeta Zemlje okoli 4,54 milijarde let nazaj. Osončje je najverjetneje nastalo iz sončne meglice, ki je bila posledica velikega poka. Planeti znotraj Osončja pa so po planetezimalni oziroma nebularni teoriji nastali s privlačnostjo med kemijskimi elementi, ki jih tvorijo. Zaradi gravitacije so se ti med seboj združili in tvorili astronomska telesa ali planetezimale, iz katerih so se kasneje razvili štirje notranji planeti Osončja, med katere sodi tudi Zemlja.
Najstarejša geološka doba v Zemljini zgodovini se imenuje had. Poimenovanje izhaja iz starejše predstave o mladi Zemlji kot o peklu podobnem vročem kraju, potopljenem v lavi, ki so jo bruhali ognjeni vulkani. Danes had v geološki zgodovini Zemlje označuje obdobje od samega nastanka Zemlje 4,5 do 3,8 milijard let nazaj.
Ena redkih stvari, ki so se ohranile iz obdobja hada, so minerali cirkona, ki so bili odkriti v Zahodni Avstraliji. Ti minerali nakazujejo, da je bila Zemljina skorja v tem obdobju že izoblikovana v kontinente. V cirkonih so namreč odkrili usedline, ki so najverjetneje posledica vodne erozije, in prav na podlagi tega odkrtija znanstveniki in znanstvenice sklepajo, da je že takrat obstajala tekoča voda. Cirkoni iz Zahodne Avstralije so tako pred tremi desetletji močno spremenili predstavo našega mladega planeta. V takem bolj gostoljubnem okolju bi lahko tudi življenje vzniknilo že zelo zgodaj v Zemljini zgodovini, veliko prej, kot smo sprva domnevali.
S kakšnimi dokazi si lahko pomagamo pri preučevanju nastanka življenja na Zemlji, nam pove doktor Gale z Naravoslovnotehniške fakultete.
Najstarejši do sedaj odkriti fosili živih organizmov so fosilizirani ostanki iz Zahodne Avstralije. Leta 2011 so jih raziskovalci in raziskovalke našli na kamninah, starih 3,4 milijarde let. Fosilni mikrobi so podobnih oblik in velikosti kot današnji mikrobi. Na podlagi izotopske analize kamnin se sklepa, da so pramikrobi v svoji presnovi uporabljali žveplo.
Leta 2015 je raziskovalna skupina iz Univerze v Kaliforniji in Univerze Stanford poročala, da so v 4,1 milijarde let starem cirkonu odkrili ogljik, ki je verjetno biološkega izvora. Na podlagi njegove izotopske sestave namreč sklepajo, da so ostanke ogljika v obliki grafita za seboj pustili živi mikroorganizmi. Ti tako imenovani kemični fosili nakazujejo na obstoj življenja še dolgo pred časom, iz katerega imamo prve fosile pramikrobov.
Sklepamo torej lahko, da so bili že takrat na Zemlji ustrezni pogoji za razvoj prvih organizmov. Če začnemo s kompleksnim sistemom, kot je celica, se morda zdi nemogoče opisati njen nastanek iz ničesar. Problema se je zato mogoče bolj smiselno lotiti iz druge smeri in za začetek obrazložiti pojav gradnikov prvih celic, torej organskih molekul. Pri razlagi njihovega nastanka si znanstveniki in znanstvenice pomagajo s tako imenovanimi simulacijskimi modeli. Gre za poustvaritev kemijskih procesov med snovmi na mladi Zemlji, ki bi lahko bile prisotne v tistem času.
Morda najbolj znani kemijski model, ki nam je pokazal možno pot tvorbe gradnikov biomolekul iz preprostejših majhnih molekul, je bil poskus Stanleya Millerja in Harolda Ureya leta 1953. Kaj sta raziskovalca pri poskusu dosegla ter kakšen je njegov pomen za razlago nastanka organskih molekul na Zemlji, nam ponovno razloži Andrej Podobnik.
V poznejših poskusih so uporabili pogoje, ki so bližji današnji predstavi o mladi Zemlji, in pokazali, da lahko organske molekule nastanejo tudi v takšnih razmerah. Vendar so pri tem dobili zelo majhno količino želenih produktov, kar predstavlja težavo v razlagi nastanka organskih molekul na zgodnji Zemlji. Takšnih teh saj teh molekul morda ni nastalo zadosti, da bi se iz njih razvilo prvo življenje. Poleg tega raziskovalci in raziskovalke v poskusih niso uspeli pridobiti pomembne skupine molekul, ki sestavljajo dedni material, in brez katerih življenje ni mogoče. V nadaljevanju oddaje bomo predstavili tudi hipotezo, da so manjkajoče molekule morda prišle na Zemljo po drugi poti. Vabljeni k poslušanju.
vmesni komad
Pozdravljeni nazaj na valovih Radia Študent, kjer v tokratni oddaji znanstvene redakcije potujemo skozi dogodke na mladi Zemlji, ki so pripeljali do nastanka prvega življenja. Podali smo nekatere teorije in kemijske modele, s katerimi so raziskovalci in raziskovalke podale možne procese, pri katerih so nastali gradniki živega.
Kot smo lahko slišali, znanstvenikom in znanstvenicam v laboratorijskih simulacijah mlade Zemlje ni uspelo ustvariti gradnikov molekul RNK in DNK, ki tvorita dedni material živih bitij. Morda so te molekule na Zemljo prišle iz vesolja. Morda pa so naš planet poselili že izoblikovani organizmi.
Teorija o potovanje življenja po vesolju, imenovana tudi panspermija, hipostazira več do danes znanih mehanizmov, ki se v dokazljivosti med seboj razlikujejo. O tem nam več pove docent paleontologije na Naravoslovnotehniški fakulteti Luka Gale:
Tako obstaja možnost, da življenje ne obstaja zgolj in samo na našem planetu, temveč da je razširjeno po celotnem vesolju. Morda je na Zemljo pripotovalo preko meteoritov, asteroidov ali kometov.
Čeprav se je ideja o panspermiji pojavila že v času stare Grčije, je le-ta resnično zaživela šele v 20. stoletju. Leta 1974 sta Fred Hoyle [izg: fréd hójl] in Chandra Wickramasinghe predpostavila in kasneje tudi potrdila, da je medzvezdni prah, ki vsebuje ogljik, v veliki večini sestavljen iz organskih delcev. Leta 2009 je teorijo o panspermiji podprl tudi priznani fizik Stephen Hawking. Zaradi različnih pogledov in dokazljivosti obstaja več različnih teorij panspermije.
Z dokazi manj podkrepljena radiopanspermija predpostavlja prenos mikroskopskih oblik življenja po vesolju s pomočjo sevalnega tlaka zvezd. Pri tem predstavlja največjo težavo občutljivost genskega materiala na UV sevanje. Poizkusi so pokazali takojšnjo smrtnost bakterij v fizikalno-kemijskih pogojih vesolja, medtem ko so bakterije z zaščito pred UV žarki preživele tudi do 6 let.
Litopanspermija, ki predvideva prenos organizmov na meteoritih, pa nima trdnih dokazov. Oblike življenja bi namreč morale preživeti prehod iz planeta skozi vesolje do ekstremnih razmer vstopa skozi Zemljino atmosfero. Vendar raziskava, predstavljena na kongresu evropskih planetarnih znanstvenikov leta 2015, kaže na možnost, da bi preprosti organizmi lahko preživeli tudi takšne pogoje.
Z dokazi najbolj podkrepljena pa je že prej omenjena mehka ali pseudo-panspermija, ki predpostavlja nastanek organskih molekul v vesolju. Vključene v solarne meglice so se lahko širile po vesolju in tako pristale tudi na našem planetu. Tu naj bi se ob ustreznih pogojih iz njih razvilo življenje.
Raziskave meteorita Murchison, ki je na površino Zemlje padel leta 1969, so dokazale prisotnost organskih snovi v vesolju. Meteorit je namreč vseboval tudi molekule uracila in ksantina, ki sta prisotna v naši DNK in RNK. Leta 2015 je NASA objavila rezultate raziskave, kjer so v umetno ustvarjenih vesoljskih pogojih formirali kompleksne DNK in RNK organske spojine, potrebne za življenje.
Obstaja torej možnost, da so gradniki življenja prišli na Zemljo ali na asteroidih ali pa so se tvorili na Zemlji. Prepričljivi dokazi iz meteoritov kažejo, da je šlo verjetno za kombinacijo obojega. Ko pa so bile enkrat na Zemlji prisotne organske molekule, so se te lahko začele organizirati v prvo življenje.
Iz fosilnih dokazov lahko torej zanesljivo razberemo, da je življenje na Zemlji zagotovo obstajalo pred približno 3,7 milijardami let. Takrat so že obstajali organizmi, ki so bili po vsej verjetnosti podobni danes živečim cianobakterijam in arhejam. A povsem možno je, da je tudi pred tem že obstajalo bolj preprosto življenje. Kako daleč nazaj v zgodovino Zemlje moramo iti, da pridemo do prvega živega organizma, še ni povsem jasno. Vendar je na tem mestu varno postaviti nekaj predpostavk, s katerimi lahko okvirno zamejimo obdobje nastanka življenja.
Za vsako življenje na Zemlji je nujno potrebna voda. Kot smo omenili, se je ta najverjetneje pojavila že zelo zgodaj, pred približno 4.4 milijardami let. Kar pa pomeni, da so se prvi organizmi lahko začeli tvoriti kmalu po njenem pojavu. A tudi če se je razvoj živega začel že tako zgodaj, se je ta zaradi neprestanega bombardiranja z asteoridi težko obdržal. V obdobju do pred 3.8 [tri cela osem] milijard let so na Zemljo redno padali kometi v velikosti od nekaj deset do tudi tisoč kilometrov premera. V razmerah obstreljevanja z objekti velikosti Lune je skoraj zagotovo, da je bilo vsako nastalo življenje hitro izbrisano.
Tretji premislek, ki ga je treba upoštevati pri določanju časa nastanka življenja, je kraj njegovega nastanka. Če izhajamo iz postavke, da se je življenje razvilo iz kompleksnih organskih molekul, obstaja na našem planetu le peščica takšnih ugodnih krajev, kjer so se lahko tvorile. Prva možnost so plitve vode ob obalah pramorij, kjer so se zaradi izhlapevanja vode organske molekule dovolj zgostile in tvorile tako imenovano prajuho. Drugi možni kraj njihovega nastanka pa so termalni vrelci na dnu morja.
Ker je dno morja bolj zaščiteno pred asteroidnimi trki kot površina, se sklepa, da se je življenje dlje časa ohranilo ob termalnih vrelcih kot v prajuhi. Tako se predvideva, da so bili ugodni pogoji za nastanek življenja pred približno 4.2 milijardami let ob termalnih vrelcih ter pred 4 milijardami v prajuhi. Ta domneva pa ne izključuje, da se je življenje sočasno razvilo na večih mestih na Zemlji. Po glasbenem premoru boste lahko slišali nekatere teorije, ki poskušajo pojasniti, kako se je ta razvoj lahko zgodil.
vmesni komad
Na 89,3 MHz nadaljujemo z oddajo o nastanku življenja na Zemlji. V prvem delu smo povzeli glavna odkritja, ki so nam namignila, kako so se na Zemlji pojavili gradniki živega ter kdaj približno se je to zgodilo. Sedaj pa nastopi naslednje ključno vprašanje, na katerega bomo poskušali odgovorit: Kako so se lahko osnovni gradniki organizirali v skupke, ki bi jim danes pripisujemo prvo življenje?. Ostanite z nami na valovih Radia Študent.
Po najbolj optimističnih ocenah se je življenje na Zemlji razvilo izredno hitro, v pičlih 200 milijonih letih. Če je bil proces zares tako hiter, je to dodatna podpora domnevi o prisotnosti življenja na drugih planetih z vodo izven našega Osončja.
Pred nami ostaja eno najpomembnejših vprašanj moderne biologije: kako je iz organskih molekul nastalo prvo življenje? Vprašanje je v večih pogledih povezano z drugim vprašanjem, in sicer kakšno je to življenje izgledalo? Ali so imela prva živa bitja membrano ali ne? Kakšen je bil njihov dedni material? To so številna vprašanja, na katera lahko odgovorimo zgolj z domnevami in predpostavkami, nikakor pa ne s trdnimi dokazi.
Simulacijski modeli nam kljub pomanjkanju trdnih dokazov omogočajo predvidevati, kateri dogodki so se zgodili z večjo verjetnostjo od drugih. Začnimo torej od začetka. Kakšne so morda izgledale prve pracelice ali kar predcelice, nam opiše ameriški raziskovalec Nicholas Hud iz Šole za kemijo in biokemijo v Atlanti:
V današnjih celicah večino funkcij izvajajo proteini. Ti katalizirajo reakcije sinteze in razgradnje molekul, nudijo oporo celicam ter skrbijo za njihovo gibanje. Informacija o proteinih se nahaja na molekuli deoksirobonukleinski kisline DNK, ki se med celično delitvijo podvojuje in prenaša informacijo na naslednjo generacijo celic. Nazadnje imamo v celicah tudi več različnih skupin ribonukleinskih kislin, ali kar RNK. Te skrbijo za prevod informacije iz DNK v proteine in delujejo kot njun posrednik.
Že v tej shemi, kjer imamo tri nivoje izvajanja celičnih funkcij, se stvari v zvezi z nastankom življenja zakomplicirajo. Problem nam opredeli predavatelj biologije na gimnaziji Bežigrad Andrej Podobnik.
Zgoditi se je moralo ali izredno naključje ali pa je na začetku deloval preprostejši mehanizem delitve nalog v pracelicah. Možno rešitev iz te zagate predstavlja hipoteza ribonukleinskega sveta. Ta trdi, da je na začetku RNK hkrati opravljala funkcije, ki jih danes izvajata DNK in proteini. Po tej teoriji so v celicah sprva ribonukleinske kisline prenašale dedno informacijo in katalizirale reakcije, DNK in proteini pa so te naloge prevzeli tekom evolucije s specializacijo.
Omenjeni teoriji v prid govori več dokazov, med drugim sposobnost določenih RNK molekul, da katalizirajo različne reakcije. Morda najpomembnejši molekulski ustroj po imenu ribosom, ki je ključen za sintezo beljakovin v celici, je večinoma zgrajen iz RNK. Prav tako je ta sposobna prenašati dedno informacijo, kar lahko vidimo v številnih virusih, ki nosijo zapis za svoje gene na molekuli RNK in ne na molekuli DNK.
A tudi če zadevo poenostavimo in sprejmemo hipotezo ribonukleinskega sveta, se takoj zastavijo nova vprašanja. Morda najtežje je, kako se je RNK sploh lahko podvojevala brez pomoči katalizatorjev oziroma encimov? Torej, ali je bilo možno, da se je dedni material podvajal neposredno zgolj s pomočjo preprostih kemijskih reakcij med molekulami v pogojih mlade Zemlje.
Tukaj zaenkrat znanost kljub številnim poskusom še ni prišla do zadovoljivega odgovora. Ena možna razlaga bi bila, da so pri podvojevanju RNK pomagali še nepoznani preprosti katalizatorji. Druga možnost pa je, da so prvotni dedni material še pred RNK sestavljale druge, preprostejše molekule z drugačnimi kemijskimi lastnostmi. Delo v svojem laboratoriju nam opiše Nicholas Hud, kjer se ukvarjajo prav z iskanjem molekul, primernih za prvotni dedni material.
Odkritje mehanizma ne-encimskega podvojevanja nukleinskih kislin je tako ena najpomembnejših nalog modernih bioloških znanosti pri razlaganju nastanka prvega življenja. Ko imamo enkrat vzpostavljeno podvojevanje dednega materiala v zaprtem sistemu, na primer znotraj membrane, lahko šele govorimo o začetku evolucije. Prve pracelice so bile morda le v membrani zaprti dedni material. Ta se je podvojeval in pri podvojevanju je prihajalo do napak oziroma mutacij. Nekatere mutacije so zmanjšale možnost preživetja pracelic, spet druge pa so izboljšale možnost njihovega preživetja. Lahko si predstavljamo, da se je v dolgem času, govorimo o nekaj 100 milijonov letih, nabralo dovolj mutacij, da že lahko govorimo o prvih pravih celicah.
Na tem mestu se zastavi vprašanje minimalnega genoma, torej najmanjšega števila genov, potrebnih za preživetje celice. Trenutno najpreprostejši poznani organizem na svetu je bakterija Mycoplasma genitalium, ki ima zgolj 470 genov. A znanstveniki so šli korak dlje in preizkusili, koliko genov lahko bakteriji odstranijo, da bo ta še preživela. Prišli so do končne ocene, da je približno 250 genov minimalna količina, ki jih celica nujno potrebuje za preživetje.
Povsem možno pa je, da so bili prvotni organizmi še bolj preprosti. Odgovor na vprašanje, kako so lahko ti preživeli z manj geni, kot jih je potrebno za minimalni genom, je potrebno iskati v okolju na mladi Zemlji. Kot nam podrobneje razloži doktor Nicholas Hud:
Prajuha, v kateri je nastalo prvo življenje, je bila bogata s preprostimi organskimi molekulami. Ker so bile molekule hkrati že končni gradniki prvotnih celic, so lahko te preživele s privzemom snovi iz okolja in njihovo vključitvijo v svojo zgradbo. Denimo z vključitvijo fosfolipidnih molekul iz okolice v svojo membrano se je ta povečevala in celica je rastla. Z vključitvijo nukleotidov pa se je povečala še količina dednega materiala. Tu pa smo ponovno postavljeni pred vprašanje celične delitve.
Pri celični delitvi se morata namreč zgoditi dve stvari. Prvič se mora celica preščipniti v dve neodvisni enoti, kar pa se da dokaj enostavno razložiti s samo celično rastjo. Namreč, večja kot je celica, manj stabilna je njena struktura. Ko pa je celica dosegla določeno velikost, so lahko zadostovale že manjše sile, da se je ta razbila na dve enoti oziroma dve novi celici.
Težje pa je razložiti, kako je prišlo do podvojevanja dednega materiala in njegove porazdelitve med dve celici. Znanost na tem mestu še ni prišla do enotnega odgovora. Kljub temu znanstvena skupnost domneva, da sta bila procesa delitve celice ter podvojevanja dednega materiala že od začetka povezana procesa.
Poskusi na preprostih membranskih veziklih so namreč pokazali, da so vezikli, ki so vsebovali več RNK, rastli hitreje. Večja količina RNK znotraj celice namreč poveča osmotski pritisk, ki se ustvari zaradi razlike v koncentraciji delcev znotraj in zunaj celice. To povzroči večji privzem snovi iz okolice. Naravna selekcija bi lahko tako dala prednost pracelicam, ki so uspele hitreje podvojevati svoj dedni material, zaradi česar so tudi hitreje rastle in se posledično delile.
Morda so bile prve genetske pridobitve prav tiste, ki so pripomogle k rasti celic in privzemu snovi iz okolice. Kot pove nobelov nagrajenec za fiziologijo iz leta 2009 Jack Szostak, je lahko ta preprosta kompeticija med celicami za hitrejšo rast in delitev povzročila kaskado novih selekcijskih pritiskov, ki so gnali zgodnji razvoj. Jack Szostak:
Jack Szostak: "So we begin with this idea that fossil..."
Selekcijski pritisk za čim učinkovitejšo rast je na ta način dal prednost celicam, ki so uspele razviti preproste, a že specializirane molekule za izvajanje določenih funkcij. Prav takšne molekule, ki bi dale zgodnjim celicam prednost v preživetju, pa so encimi za sintezo gradnikov membran, membranski transportni sistem za privzem snovi iz okolice ter mašinerija za podvojevanje dednega materiala.
Marsikateri korak nam še manjka pri razumevanju prehoda iz kemijskih procesov do kompleksnih bioloških procesov. Pa vendar nam konceptualni modeli, kot ga je predstavil doktor Szostak , omogočajo korak dlje od zgolj zastavljanja vprašanj. Ko imamo enkrat postavljeno hipotezo, jo lahko preverjamo z eksperimentalnimi poskusi. In čeprav se zdi področje raziskovanja nastanka življenja nepregledno široko, obstaja velika verjetnost, da je bilo za začetek življenja potrebnih le nekaj molekul in procesov. Kot nam optimistično razloži doktor Nicholas Hud:
Nicholas Hud:"And so, story of the origin of life through chemicals has a possibility of ..."
Prišli smo do konca oddaje, kjer smo v približno eni uri obdelali okoli 2 milijardi let razvoja življenja na Zemlji. Od točke, do katere smo prišli, je nadaljnje trajalo slabi 2 milijardi let, da so se pojavile prve kopenske živali in rastline. Nato pa še 500 milijonov let, da smo se pojavili ljudje. V naslednji oddaji čez 14 dni se bomo sprehodili skozi razvoj življenja po nastanku prvih celic vse do raznolike palete, ki dandanes predstavlja živo naravo.
Na koncu dobrih 4 milijard let trajajočega razvoja se nahajajo Arne, Angelika in vajenec Sebastjan.
Urednikovala je Teja.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj