Abiogeneză | este o problemă științifică care nu este încă rezolvată

Înregistrare fosilă

Cea mai veche formă de viață revendicată pe Pământ

Cele mai vechi forme de viață despre care se afirmă că ar exista sunt microorganismele fosilizate (sau microfosile). Acestea au fost descoperite în roci bogate în fier și siliciu, care au fost cândva guri hidrotermale în centura de roci verzi Nuvvuagittuq din Quebec, Canada.

Aceste roci au o vechime de până la 4,28 miliarde de ani. Formele tubulare pe care le conțin sunt prezentate într-un raport. Dacă aceasta este cea mai veche înregistrare a vieții pe Pământ, aceasta sugerează "o apariție aproape instantanee a vieții" după ce s-au format oceanele acum 4,4 miliarde de ani. Potrivit lui Stephen Blair Hedges, "dacă viața a apărut relativ repede pe Pământ... atunci ar putea fi comună în univers".

Cea mai veche ureche

Un studiu științific din 2002 a arătat că formațiunile geologice de stromatolite vechi de 3,45 miliarde de ani conțin cianobacterii fosilizate. La vremea respectivă, s-a convenit pe scară largă că stromatolitele sunt cele mai vechi forme de viață cunoscute pe Pământ care au lăsat o înregistrare a existenței lor. Prin urmare, dacă viața și-a avut originea pe Pământ, acest lucru s-a întâmplat cândva între acum 4,4 miliarde de ani, când vaporii de apă s-au lichefiat pentru prima dată, și acum 3,5 miliarde de ani. Acesta este contextul ultimei descoperiri discutate mai sus.

Cele mai timpurii dovezi de viață provin din centura supercrustală Isua din vestul Groenlandei și din formațiuni similare din Insulele Akilia din apropiere. Acest lucru se datorează faptului că acolo se găsește un nivel ridicat al izotopului mai ușor al carbonului. Lucrurile vii absorb izotopi mai ușori deoarece acest lucru necesită mai puțină energie. Carbonul care intră în formațiunile stâncoase are o concentrație de δ¹³ C elementar de aproximativ -5,5. din¹² C, biomasa are o δ¹³ C cuprinsă între -20 și -30. Aceste amprente izotopice sunt păstrate în roci. Cu aceste dovezi, Mojzis a sugerat că viața exista deja pe planetă în urmă cu 3,85 miliarde de ani.

Câțiva oameni de știință cred că viața ar fi putut fi transportată de la o planetă la alta prin transportul de spori. Această idee, cunoscută acum sub numele de panspermie, a fost avansată pentru prima dată de Arrhenius.

Istoria studiilor privind originea vieții

Generarea spontană

Până la începutul secolului al XIX-lea, mulți oameni au crezut în generarea spontană și regulată a vieții din materie nevie. Acest lucru a fost numit generare spontană și a fost infirmat de Louis Pasteur. Acesta a demonstrat că, fără spori, nicio bacterie sau virus nu se dezvoltă pe material steril.

Darwin

Într-o scrisoare adresată lui Joseph Dalton Hooker la 11 februarie 1871, Charles Darwin a propus un proces natural pentru originea vieții.

El a sugerat că scânteia inițială a vieții ar fi putut începe într-un "mic iaz cald, cu tot felul de amoniac și săruri fosforice, lumini, căldură, electricitate etc.". Un compus proteic a fost apoi format chimic, gata să sufere modificări și mai complexe". În continuare, el a explicat că "în prezent, o astfel de materie ar fi devorată sau absorbită instantaneu, ceea ce nu ar fi fost cazul înainte de formarea ființelor vii".

Haldane și Oparin

Nu s-a înregistrat niciun progres real până în 1924, când Alexander Oparin a argumentat că oxigenul atmosferic împiedica sinteza moleculelor organice. Moleculele organice sunt elementele constitutive necesare pentru evoluția vieții. În lucrarea sa "Originea vieții", Oparin a argumentat că o "supă primordială" de molecule organice ar putea fi creată într-o atmosferă lipsită de oxigen prin acțiunea luminii solare. Acestea s-ar combina în moduri din ce în ce mai complexe până când ar forma picături. Aceste picături ar "crește" prin fuziune cu alte picături și s-ar "reproduce" prin fisiune în picături fiice, având astfel un metabolism primitiv în care supraviețuiesc acei factori care promovează "integritatea celulară", iar cei care nu supraviețuiesc dispar. Multe teorii moderne privind originea vieții iau încă ca punct de plecare ideile lui Oparin.

Cam în aceeași perioadă, J.B.S. Haldane a sugerat, de asemenea, că oceanele pre-biotice ale Pământului, care erau foarte diferite de ceea ce sunt oceanele în prezent, ar fi format o "supă diluată fierbinte". În această supă s-ar fi putut forma compuși organici, elementele constitutive ale vieții. Această idee a fost numită biopoieză, procesul de evoluție a materiei vii din molecule care se autoreplică, dar care nu sunt vii.

Condiții timpurii pe Pământ

Nu există aproape nicio înregistrare geologică de dinainte de acum 3,8 miliarde de ani. Mediul care exista în epoca hadeană era ostil vieții, dar nu se știe în ce măsură. A existat o perioadă, între 3,8 și 4,1 miliarde de ani în urmă, care este cunoscută sub numele de bombardamentul intens târziu. Este numită astfel deoarece se crede că atunci s-au format multe cratere lunare. Situația de pe alte planete, cum ar fi Pământul, Venus, Mercur și Marte, trebuie să fi fost similară. Aceste impacturi ar fi sterilizat probabil Pământul (ar fi ucis orice formă de viață), dacă aceasta ar fi existat la acea vreme.

Mai multe persoane au sugerat că substanțele chimice din celulă oferă indicii despre cum ar fi trebuit să fie mările timpurii. În 1926, Macallum a observat că compoziția anorganică a citosolului celular diferă în mod dramatic de cea a apei de mare moderne: "celula... are dotări transmise dintr-un trecut aproape la fel de îndepărtat ca și originea vieții pe pământ". De exemplu: "Toate celulele conțin mult mai mult potasiu, fosfat și metale de tranziție decât oceanele, lacurile sau râurile ... moderne". "În atmosfera primordială anoxică, dominată de CO₂ -, chimia bazinelor interioare din câmpurile geotermale ar fi [ca și chimia din interiorul] celulelor moderne".

Temperatura

Dacă viața a evoluat în adâncurile oceanului, în apropierea unei guri de aerisire hidrotermală, aceasta ar fi putut apărea în urmă cu 4 până la 4,2 miliarde de ani. Dacă, pe de altă parte, viața a apărut la suprafața planetei, o opinie comună este că ar fi putut să o facă doar acum 3,5 - 4 miliarde de ani.

Lazcano și Miller (1994) sugerează că ritmul evoluției moleculare a fost dictat de rata de recirculare a apei prin gurile de aerisire submarine din mijlocul oceanelor. O recirculare completă durează 10 milioane de ani, astfel încât orice compuși organici produși până atunci ar fi fost alterați sau distruși de temperaturile care depășesc 300 °C. Aceștia estimează că dezvoltarea unui genom de 100 de kilobaze al unei heterotrofe primitive ADN/proteine într-o cianobacterie filamentoasă cu 7000 de gene ar fi necesitat doar 7 milioane de ani.

Istoria atmosferei Pământului

Inițial, atmosfera Pământului nu avea aproape deloc oxigen liber. Aceasta s-a schimbat treptat până la ceea ce este în prezent, pe parcursul unei perioade foarte lungi de timp (a se vedea Marele eveniment de oxigenare). Procesul a început cu cianobacteriile. Acestea au fost primele organisme care au produs oxigen liber prin fotosinteză. Majoritatea organismelor de astăzi au nevoie de oxigen pentru metabolismul lor; doar câteva pot folosi alte surse pentru respirație.

Prin urmare, este de așteptat ca primele proto-organisme să fi fost chimioautotrofe și să nu fi utilizat respirația aerobă. Ele erau anaerobe.

Modele actuale

Nu există un "model standard" privind modul în care a început viața. Majoritatea modelelor acceptate se bazează pe biologia moleculară și biologia celulară:

1. Pentru că există condițiile potrivite, se creează unele molecule mici de bază. Acestea se numesc monomeri ai vieții. Aminoacizii sunt un tip de astfel de molecule. Acest lucru a fost demonstrat de experimentul Miller-Urey realizat de Stanley L. Miller și Harold C. Urey în 1953, iar acum știm că aceste elemente de bază sunt comune în tot spațiul. Pământul timpuriu le-ar fi avut pe toate.
2. Fosfolipidele, care pot forma bicapace lipidice, o componentă principală a membranei celulare.
3. Nucleotide care ar putea să se unească în molecule de ARN aleatorii. Acest lucru ar fi putut avea ca rezultat ribozomi autoreplicanți (ipoteza lumii ARN).
4. Concurența pentru substraturi ar selecta mini-proteinele în enzime. Ribosomul este esențial pentru sinteza proteinelor în celulele actuale, dar nu avem nicio idee despre cum a evoluat.
5. La început, acizii ribonucleici ar fi fost catalizatori, dar mai târziu, acizii nucleici sunt specializați pentru utilizarea genomică.

Originea biomoleculelor de bază, deși nu este stabilită, este mai puțin controversată decât semnificația și ordinea etapelor 2 și 3. Substanțele chimice de bază din care se crede că s-a format viața sunt:

• Metan (CH₄ ),
• Amoniac (NH₃ ),
• Apă (H₂ O),
• Sulfură de hidrogen (H₂ S),
• dioxid de carbon (CO₂ ) sau monoxid de carbon (CO) și
• Fosfat (PO₄^3- ).
• Cianură de hidrogen (HCN)

Oxigenul molecular (O₂ ) și ozonul (O₃ ) au fost fie rare, fie absente.

Trei etape

• Etapa 1: Originea monomerilor biologici
• Etapa 2: Originea polimerilor biologici
• Etapa 3: Evoluția de la molecule la celule

Bernal a sugerat că este posibil ca evoluția să fi început mai devreme, la un moment dat între stadiul 1 și 2.

Originea moleculelor organice

Există trei surse de molecule organice pe Pământul timpuriu:

1. sinteza organică prin surse de energie (cum ar fi lumina ultravioletă sau descărcările electrice).
2. de obiecte extraterestre, cum ar fi meteoriții carbonatici (condrite);
3. sinteza organică determinată de șocurile de impact.

Estimările acestor surse sugerează că bombardamentul puternic de acum 3,5 miliarde de ani a pus la dispoziție cantități de substanțe organice comparabile cu cele produse de alte surse de energie.

Experimentul lui Miller și supa primordială

În 1953, un student absolvent, Stanley Miller, și profesorul său, Harold Urey, au realizat un experiment care a arătat cum s-ar fi putut forma molecule organice pe Pământul timpuriu din precursori anorganici.

Celebrul experiment Miller-Urey a folosit un amestec de gaze foarte redus - metan, amoniac și hidrogen - pentru a forma monomeri organici de bază, cum ar fi aminoacizii. Acum știm că, în mai mult de prima jumătate a istoriei Pământului, atmosfera acestuia nu a avut aproape deloc oxigen.

Experimentele lui Fox

În anii '50 și '60, Sidney W. Fox a studiat formarea spontană a structurilor peptidice în condiții care ar fi putut exista la începutul istoriei Pământului. El a demonstrat că aminoacizii pot forma singuri mici peptide. Acești aminoacizi și peptide mici puteau fi încurajați să formeze membrane sferice închise, numite microsfere.

Condiții speciale

Unii oameni de știință au sugerat condiții speciale care ar putea facilita sinteza celulară.

Lumea de lut

Un model din lut pentru originea vieții a fost sugerat de A. Graham Cairns-Smith. Teoria argilei sugerează că moleculele organice complexe au apărut treptat pe o platformă neorganică preexistentă, și anume cristalele de silicat în soluție.

Modelul biosferei la temperaturi înalte

În anii 1970, Thomas Gold a propus teoria conform căreia viața nu s-a dezvoltat mai întâi la suprafața Pământului, ci la câțiva kilometri sub suprafață. Descoperirea, la sfârșitul anilor 1990, a nanobănușilor (structuri filamentale mai mici decât bacteriile, dar care pot conține ADN în rocile de adâncime) ar putea susține teoria lui Gold.

În prezent, s-a stabilit destul de bine că viața microbiană este abundentă la adâncimi mici pe Pământ (până la cinci kilometri sub suprafață), sub forma unor archaea extremofile, mai degrabă decât a mai bine-cunoscutelor eubacterii (care trăiesc în condiții mai accesibile).

Gold a afirmat că pentru a supraviețui este nevoie de un firicel de hrană dintr-o sursă adâncă, de neatins, deoarece viața care apare într-o baltă de materie organică riscă să consume toată hrana și să dispară. Teoria lui Gold era că fluxul de hrană se datorează gazării metanului primordial din mantaua Pământului.

Auto-organizare și replicare

Autoorganizarea și autoreplicarea sunt caracteristicile sistemelor vii. Moleculele neviabile prezintă uneori aceste caracteristici în condiții adecvate. De exemplu, Martin și Russel au arătat că membranele celulare care separă conținutul de mediul înconjurător și autoorganizarea reacțiilor redox autonome sunt cele mai conservate atribute ale organismelor vii. Ei susțin că o astfel de materie anorganică ar fi cel mai probabil ultimul strămoș comun al vieții.

Teorii

Ipoteza lumii ARN

În această ipoteză, se spune că ARN-ul funcționează atât ca enzimă, cât și ca un container de gene. Mai târziu, ADN-ul a preluat rolul său genetic.

Ipoteza lumii ARN propune că viața bazată pe acidul ribonucleic (ARN) este anterioară lumii actuale a vieții bazate pe acidul dezoxiribonucleic (ADN), ARN și proteine. ARN-ul este capabil atât să stocheze informații genetice, precum ADN-ul, cât și să catalizeze reacții chimice, precum o enzimă. Este posibil să fi susținut viața precelulară și să fi fost un pas important către viața celulară.

Există câteva dovezi care susțin această idee:

1. Există unele ARN-uri care funcționează ca enzime.
2. Unii viruși utilizează ARN pentru ereditate.
3. Multe dintre cele mai fundamentale părți ale celulei (cele care evoluează cel mai lent) necesită ARN.

Metabolism și proteine

Această idee sugerează că proteinele au funcționat mai întâi ca enzime, producând metabolismul. După aceea, ADN și ARN au început să funcționeze ca recipiente ale genelor.

Această idee are, de asemenea, câteva dovezi care o susțin.

1. Proteinele ca enzime sunt esențiale pentru viața de astăzi.
2. Unii aminoacizi se formează din substanțe chimice mai bazice în experimentul Miller-Urey. Unii neagă această idee, deoarece proteinele nu se pot copia singure.

Lipide

În această schemă, membranele alcătuite din bicapace lipidice apar la început. Odată ce substanțele chimice organice sunt închise, este posibilă o biochimie mai complexă.

Panspermia

Aceasta este ideea sugerată de Arrhenius și dezvoltată de Fred Hoyle, conform căreia viața s-a dezvoltat în altă parte în univers și a ajuns pe Pământ sub formă de spori. Aceasta nu este o teorie despre cum a început viața, ci o teorie despre cum s-ar fi putut răspândi. Este posibil să se fi răspândit, de exemplu, prin intermediul meteoriților.

Unii susțin că Marte timpuriu a fost un loc mai bun pentru a începe viața decât Pământul timpuriu. Moleculele care s-au combinat pentru a forma materialul genetic sunt mai complexe decât "supa primordială" de substanțe chimice organice (pe bază de carbon) care a existat pe Pământ acum patru miliarde de ani. Dacă ARN-ul a fost primul material genetic, atunci mineralele care conțin bor și molibden ar putea contribui la formarea sa. Aceste minerale erau mult mai comune pe Marte decât pe Pământ.

În religie

În creștinism, unii oameni resping ideea de evoluție. Ei cred că Pământul are doar câteva mii de ani. Acest lucru este cunoscut sub numele de creaționismul tânărului pământ. Cu toate acestea, Biblia nu menționează în mod explicit vârsta Pământului, ci doar că "La început, Dumnezeu a creat cerurile și pământul" (Geneza 1:1).

Pagini conexe

• Astrobiologie
• Cele mai vechi forme de viață cunoscute