Abiogeneza

Prekambrijski stromatoliti u Siyeh formacijama (Purcell supergrupa), Nacionalni park Glacier, SAD
U 2002. godini, rad u naučnom časopisu Nature predložio je da ove 3,5 milijarde godina stare geološke formacije sadrže fosilizirane mikrobe cijanobakterije. Ovo je dokaz da su one jedna od najstarijih poznatih oblika života na Zemlji.

Abiogeneza ili biopoeza je prirodni proces nastanka prvog života iz nežive materije kao što su jednostavni organski spojevi. Vjeruje se da se abiogeneza desila prije 3,8 do 4,1 milijardi godina, a istraživana je u kombinaciji laboratorijskih eksperimenata i genetičkih informacija današnjih organizama. Tako je bilo moguće doći do razumnih pretpostavki o tome koji su hemijski procesi doveli do nastanka živih sistema. Abiogeneza se proučava sa tri glavna aspekta:

• geofizički,
• hemijski i
• biološki,
  a eksperimenti se danas sve češće temelje na pokušaju sinteze sva tri područja.

Postoje mnogi pristupi u istraživanju nastanka samoreplicirajuće molekule. Danas je najprihvaćenija hipoteza da je život na Zemlji potekao preko RNK prapočetaka, iako život utemeljen na razmnožavanju RNK možda nije bio prvi koji je postojao. Miller-Ureyev i slični eksperimenti su pokazali da aminokiseline, koje su osnovni sastojci života, mogu biti sintetizirane iz anorganskih spojeva, u uslovima za koje se pretpostavlja da su slični onima u ranim fazama postojanja planete Zemlja. Brojni eksperimenti su usredsređeni na to kako je kataliza u hemijskim sistemima mogla omogućiti nastanak prekursorskih molekula, koje su za samo neophodne za razmnožavanje. Tako složene organske molekule, koje su pronađene u Sunčevom sistemu i međuzvjezdanom prostoru, mogle su biti početni materijal za razvoj života na Zemlji. Prema hipotezi panspermije, mikroskopski život bi mogao postojati širom svemira i biti raznošen meteoritima, asteroidima i ostalim manjim nebeskim tijelima. Pretpostavlja se da je biohemija života počela odmah nakon Velikog praska, prije 13.8 milijardi godina, tokom epohe kada je svemir bio star "samo" 10 do 17 miliona godina.

Zemlja je unatoč svemu, jedino mjesto u svemiru za koje se pouzdano zna da je kolijevka života. Procjenjuje se da starost Zemlje iznosi oko 4,54 milijardi godina, a najraniji nepobitni dokaz života na njoj potiče od prije 3,5 milijardi godina, iz epohe eoarhaika. Pronađeni su fosili mikroskopskih oblika života u 3,48 milijardi godina starim pješčenjacima Zapadne Australijje. Drugi stariji fizički dokazi materija biološkog porijekla jesu grafiti u 3,7 milijardi godina starim metasedimentnim stijenama, koje su otkrivene na jugozapadnom dijelu Grenlanda i ostaci biotičkog života', koji potiču od prije 4,1 milijardi godina, a nađeni su u starim stijenama Zapadne Australije. Prema jednom od istraživanja. Ako se život na Zemlji pojavio relativno brzo ... onda bi mogao biti uobičajen i u svemiru.

Rani geofizički uslovi

Prema nedavnim istraživanjima, potpomognutim kompjuterskim modelima, složene organske molekule potrebne za život, mogle su nastati u protoplanetarnom disku svemirske prašine koji je obavijao Sunce prije nastanka Zemlje. Kompjuterske analize ukazuju da se isti proces mogao zbiti i oko drugih zvijezda koje su okružene planetama. Vjeruje se da je Zemlja u doba hadija imala sekundarnu atmosferu stvorenu oslobađanjem plinova iz stijena, koje su nastale od velikih planetezimalnih čvrstih objekata, pri sudarima sa Zemljom. Prvo se smatralo da se Zemljina tadašnja atmosfera sastojala od hidirda –metana, amonijaka i vodene pare, te da se početak života pojavio u takvim uslovima, pogodnim za nastanak organskih molekula. Prema kasnijim modelima, koji su zasnovani na proučavanju starih minerala, u kasnom hadiju, atmosfera se uglavnom sastojala od dušika i ugljik dioksida, uz manje količine ugljik-monoksida, vodika i spojeva sumpora. Kako je Zemlji nedostajala gravitacija kojom bi se zadržao molekulski vodik, ta se komponenta vjerojatno brzo izgubila, već tokom hadija, zajedno s nekim drugim prvobitnim inertnim plinovima. Otopina ugljendioksida (CO2) u vodi je doprinijela da mora budu blago kisela, uz pH vrijednost oko 5,5. Tadašnja atmosfera se opisuje kao gigantska produktivna hemijska laboratorija na otvorenom. Bila je slična mješavini plinova koju oslobađaju vulkani, a takva se i danas upotrebljava u proučavanju abiotskih hemijskih pojava i procesa. Okeani su se najvjerojatnije pojavili u periodu hadija, oko 200 miliona godina nakon Zemljinog nastanka i to u vrućim uslovima, sa temperaturama od oko 100 °C. A pH vrijednost je bila, vjeruje se, oko 5,8 i brzo se povećavala prema neutralnoj. Na to posebno upućuje datiranje 4,404 milijardi godina starih kristala cirkona sa planine Narryer u Zapadnoj Australiji, što ukazuje da su okeani i kontinentalna kora već postojali, unutar perioda od oko 150 miliona godina nakon nastanka Zemlje. Unatoč vjerovatno povećanoj vulkanskoj aktivnosti i postojanju brojnih manjih tektonskih ploča, predloženo je da je prije između 4,4 i 4,3 milijardi godina, Zemlja bila vodena sredina sa veoma malo ili nimalo kontinentalne kore, sa ekstremno turbulentnom atmosferom i hidrosferom, koje su bile izložene jakom ultraljubičastom (UV) i kosmičkom zračenju, sa učestalim udarima meteora. Hadijsko okruženje je bilo izuzetno opasno za današnje oblike života. Česti sudari s velikim objektima (promjera i do 500 kilometara) bili bi dovoljni da steriliziraju planetu i dovedu do potpunog isparavanja današnjih okeana i ostalih vodenih površina unutar nekoliko mjeseci stalnih udara. Za to vrijeme, vrela para bi zajedno s plinovima iz stijena stvarala oblake na visokoj nadmorskoj visini, koji bi u potpunosti prekrili planetu. Protokom vremena bi na nižim visinama počele kiše, a visina oblaka bi se postepeno smanjivala tokom idućih 2.000 godina, što bi povratilo okeane na njihovu prvobitnu dubinu, ali tek nakon 3.000 godina poslije udara.

Najraniji biološki dokazi prisustva života na Zemlji

Postojeći dokazi upućuju da je rani život na Zemlji sigurno postojao prije najmanje 3,5 milijardi godina tokom eoarhaika. O Tome svjedoče fizički dokazi grafita biološkog porijekla u metasedimentnim stijenama jugozapadnog Grenlanda, čija starost je utvrđena na oko 3,7 milijardi godina prije današnjice, kao i fosili mikroorganizama u 3,48 milijardi godina starom pješčenjaku Zapadne Australije. Okeanograf Gustaf O. Arrhenius pronašao je 3,7 milijardi godina stare dokaze ranog života u stijenama ostrva Akilia, blizu jugozapadnog Grenlanda. Koristeći spektrometrijsku analizu, identifikovao je izotope ugljika, koji su nedvojbeno biološkog porijekla. Na Strelley Poolu, u Pilbarra regiji Zapadne Australije, pronađeni su fosilni ostaci života koji upućuju na tubularne ćelije koje su autotrofno – fotosintezom oksidirale sumpor, u nedostatku kisika. Nedavno su geohemičari sa Kalifornijskog univerziteta u Los Angelesu (UCLA) pronašli dokaze da je život vjerojatno postojao na Zemlji prije najmanje 4,1 milijardi godina – 300 miliona godina prije nego što su na to upućivala pretrhodna istraživanja.

U ranijem periodu od nastanka planete Zemlje, između 3,8 i 4,1 milijardu godina, promjene u orbitama gigantskih planeta vjerojatno su dovele do teškog bombardovanja asteroidima i kometama. Da je život postojao u to vrijeme, udari bi sterilizovali Zemlju. Geološki gledano, hadijska Zemlja je trebala biti daleko aktivnija nego u bilo koje drugo doba svoje prošlosti. Istraživanja meteorita su pokazala da su radioaktivni izotopi, kao što je aluminij-26 s dužinom poluživota od 7,17×105 godina i kalija-40, s poluživotom od 1,250×109 godina, pretežno proizveden u supernovama, bili daleko češći.

Istraživanje Kevina A. Mahera i Davida J. Stevensona pokazalo je da duboko hidrotermno okruženje pruža povoljne uslove za nastanak života, čime se abiogeneza mogla ostvariti vrlo rano, već u periodu između 4,0 do 4,2 milijardi godina prije današnjice. S druge strane, ukoliko se odvijala saamo na površini Zemlje, mogla se najranije desiti u razdoblju od prije 3,7 do 4 milijarde godina.

Spontana generacija

Hipoteza o "spontanoj generaciji" počiva na stanovištu da se i sada određeni oblici života spontano rađaju iz nežive materije, kao naprimjer, muhe iz pokvarenog mesa ili pčele iz cvijeća, što su njene pristalice imenovali heterogenezom. Takvo vjerovanje, svoje historijske korijene ima još od Aristotelovog učenja i antičke Grčke filozofije, a podžavali su ga i zapadni učenjaci sve do 19. stoljeća. Smatralo se da se određeni, kompleksni živi organizmi spontano stvaraju iz raspadajućih organskih sastojaka. Prema Aristotelu, bila je lahko uočljiva istina da lisne uši dolaze iz rose koja pada na biljke, muhe iz truhle materije, miševi iz prljavog sijena itd. U 17. stoljeću, započeto je provjeravanje takvih i sličnih pretpostavki. Tako je 1646. Thomas Browne objavio djelo Pseudodoxia Epidemica u kojem je opovrgavao lažna vjerovanja. Njegov savremenik, Alexnder Ross pokušao ga je osporiti, uz optužbe da dovodi u pitanje razum, osjetila i iskustvo. U 1665., Robert Hooke objavljuje prve crteže mikroorganizma, a zazim je, 1676., Antonie van Leeuwenhoek opisao i nacrtao mikroorganizme za koje se danas zna da su bili protozoa (praživotinje) i bakterije. Mnogi su tada smatrali da su mikroorganizmi dokaz spontane generacije jer su pretpostavljali da su suviše jednostavni za spolno razmnožavanje, a nespolno putem ćelijske diobe još nije bilo poznato. Van Leeuwenhoeka su zaintrigirale tada prihvaćene ideje da muhe spontano nastaju iz truleži, a žabe iz mulja. Demonstriranjem putem raznih eksperimenata – od otvorene i zatvorene inkubacije mesa do detaljnog proučavanja razmnožavanja insekata – do 1680-ih je postao siguran da je ideja o spontanoj generaciji neodrživa.

Prvi poznati eksperimentalni dokaz protiv mogućnosti pojave spontane generacije pojavio se tek kada je 1668. Francesco Redi pokazao da se u mesu ne pojavljuju crvi ukoliko se muhama onemogući da polažu jajašca na meso. Postepeno se isto potvrdilo za sve testirane više i vidljive organizme. Prva alternativa je bila teorija biogeneze, tj. da svako živo biće nastalo iz već postojećeg živog bića (latinski omne vivum ex ovo = sve živo iz jajeta). Godine 1768., Lazzaro Spallanzani je pokazao da su mikrobi prisutni u zraku, te se mogu ubiti kuhanjem u ključaloj vodi. Nakon toga, 1861. Louis Pasteur je u više eksperimenata pokazao nalaz da se organizmi kao što su bakterije i kvasci ne pojavljuju spontano u samoj sterilnoj, bogatoj hranljivoj podlozi, već samo onda kada tu dospiju izvana. Zahvaljujući Pasteurovim i ostalim dokazima, do sredine 19. stoljeća, teorija biogeneze je nakupila toliko podrške, da je teorija spontane generacije bila uspješno opovrgnuta.

Porijeklo naziva biogeneza i abiogeneza

Prvo spominjanje izraza biogeneza se uobičajeno pripisuje ili Henryju Charltonu Bastianu ili Thomasu Henryju Huxleyju. Bastian ga je upotrijebio oko 1869., u neobjavljenom razgovoru s Johnom Tyndallom, upotrebljavajući ga u značenju porijeklo života ili početak. Godine 1870., Huxley je u svojstvu Britanskog društva za unapređenje nauke objavio pismo pod naslovom Biogeneza i abiogeneza. Upotrijebio je naziv biogeneza suprotno od Bastianpoda i uveo pojam abiogeneze za nastanak živoga iz nežive materije. Zbog drugačije upotrebe ovog naziva, Bastian je 1871. u predgovoru svoje knjige uveo novi naziv archebiosis za proces postanka života, za ono što je prethodno nazivao biogenezom. Međutim, Huxley je uveo naziv abiogeneza, dok je biogeneza koristio samo za nastanak živog od prethodno živog.

Pasteur i Darwin

Pasteur, 1857.

Pasteur je 1864. zabilježio:

Nikad se doktrina spontane generacije neće oporaviti od ovog smrtonosnog udarca jednostavnim eksperimentom.

Alternativna hipoteza porijekla života bila je nastanak Zemaljskog života negdje drugdje u svemiru. Bernal je to kritikovao tvrdeći da je ona istovjetna drugim hipotezama zasnovanim na metafizičkim, duhovnim predlošcima i da se svodi na stvaranje dizajnom, odnosno kreacijom. Po njemu takva bi teorija o porijeklu života bila nenaučna, a brojni naučnici su život shvatali kao rezultat neke unutrašnje životne sile (latinski vis vitalis) čiji je posebni pobornik bio Henri Bergson, u kasnom dijelu 19. stoljeća.

Koncept evolucije Charlesa Darwina okončao je eru metafizičkih teoloških pretpostavki. U pismu Josephu Daltonu Hookeru, 1. februara 1871., Darwin se osvrnuo na pitanje porijekla života, uz napomenu da je prvobitna iskra života mogla nastati u malom, toplom jezeru koje je bilo bogato raznim solima amonijaka i fosfora u kombinaciji sa sasvjetlošću, toplotom i elektricitetom, što je moglo dovesti do stvaranja proteinskih sastojaka spremnih za daljnji razvoj kompleksnijih promjena. Naveo je i kako bi se danas takva početna materija raspala ili apsorbirala, što se nije moglo desiti u vremenima prije postanka živih bića. Ukratko, istraživanje pojave života ovisno je o umjetnoj proizvodnji organskih komponenti u sterilnim laboratorijskim uslovima.

Hipoteza o primordijalnoj supi

Sve do 1924., nije bilo novih značajnijih istraživanja ili teorija o porijeklu života. Tada je Aleksandar Ivanovič Oparin došao do zaključka da kisik sprečava sintezu određenih organskih sastojaka, a koji su nužni gradivni blokovi za evoluciju života. U knjizi Porijeklo života, Oparin je predložio da se spontana generacija života (koju je kao hipotezu svojevremeno napadao Louis Pasteur) jednom uistinu desila, ali je u sadašnjim uslovima nemoguća, jer su se oni iz ranog perioda postojanja Zemlje bitno izmijenili te bi postojeći organizmi odmah konzumirali bilo kakav spontano nastali organizam. Oparin je tvrdio da se prasupa organskih molekula može stvoriti u atmosferi bez kisika uz pomoć sunčeve svjetlosti. Te bi se molekule mogle kombinovati na još složenije načine, sve dok ne bi nastale kapljice koacervata. Takve kapljice bi narastale međusobnim spajanjem i razmnožavale se putem fisije u kapljice kćeri, pa tako imale primitivni metabolizam, u kojem bi preživjele strukture koje pridonose integritetu ćelije, a izumrli oni koji nemaju takva svojstva. Mnoge moderne teorije o nastanku života, kao razumno polazište, uzimaju Oparinove ideje. U nešto zrelijem obliku, Robert Shapiro je sažeo teoriju primordijalne supe Oparina i J.B.S. Haldanea: 1. rana Zemlja je imala hemijski reducirajuću atmosferu; 2. atmosfera je izložena različitim oblicima energije, proizvela jednostavne organske spojeve (monomere); 3. ti su se sastojci nakupili u supi koja je mogla biti rasprostranjena na raznim mjestima (obala, hidrotermalni izvori i sl.).; 4. tokom daljnjih izmjena u supi su se razvili složeni organski polimeri i samim tim, život.

Približno istovremeno, Haldane je predložio da su Zemljini prebiotički okeani bili drugačiji od svojih današnjih oblika i da su mogli formirati vruću razrijeđenu supu, u kojoj su mogli nastati organski spojevi. Bernal je tu ideju nazvao biopoiesis ili biopoesis = proces kojim živa materija evoluira iz samoobnovljivih ali neživih molekula, uz napomenu da se ta biopoeza odvijala kroz veći broj međufaza.

Stanley Miller

Prikaz Miller-Uryjevog eksperimenta.

Jedna od najvažnijih eksperimentalnih podrški teoriji prasupe pojavila se 1952., kada su Stanley L. Miller i Harold C. Urey izveli pokus koji je pokazao kako se organske molekule mogu spontano stvoriti iz anorganskih spojeva, u uslovima koje je predlagala Oparin-Haldaneova hipoteza. U tom poznatom Miller-Ureyevom eksperimentu korištena je vrlo ograničena smjesa metana, amonijaka i vodika, kako bi uz vještačka električna pražnjenja, nastali osnovni organski monomeri poput aminokiselina. To je bio direktan dokaz druge od četiri navedene tačke hipoteze primordijalne supe. Mješavina vode, vodika, metana i amonijaka u eksperimentu kružila kroz aparaturu koja je pridodavala električne iskre. Nakon jedne sedmice ispostavilo se da je 10% do 15% ugljika u sistemu pripadalo racemičnoj smjesi organskih spojeva uključujući i aminokiseline, koje su glavni gradivni blokovi proteina. Osnovna hipoteza Oparina, Haldanea, Bernala, Millera i Ureya bila je da su uslovi na ranoj Zemlji pogodovali hemijskim reakcijama koje su sintetizirale istu grupu složenih organskih spojeva iz takvih jednostavnih prekursora. Tokom 2011. izvedena je ponovna analiza spremljenih bočica s originalnim ekstraktima iz Miller-Ureyeovg eksperimenta, zahvaljujući naprednijoj analitičkoj opremi, koja je pokazala još više biohemijskih sastojaka nego što je prvobitno utvrđeno 1950-ih. Jedan od najvažnijih pronalazaka bile su 23 različite aminokiseline, daleko više od 5 prvobitno registrovanih. Bernal je ipak tvrdio da nije dovoljno objasniti način nastanka takvih molekula, već je neophodno doći do fizičko-hemijskog objašnjenja porijekla molekula koje ukazuju na nekadašnje prisustvo prikladnih početnih sastojaka i izvora energije.

Proteinoidne mikrosfere

Tri glavne strukture fosfolipida spontanog rastvora: liposom (blizak dvosloju), micela i dvosloj.

Molekulska structura 30S podjedinice ribosoma Thermus thermophilus.

U pokušajima otkrivanja međukoraka abiogeneze, koje je pominjao Bernal, Sidney W. Fox je 1950-ih i 1960-ih proučavao spontani nastanak peptidnih struktura u uslovima koji su vjerovatno postojali u ranoj fazi Zemljine prošlosti. Pokazao je da aminokiseline mogu spontano oblikovati male lance nazvane peptidima. U jednom od eksperimenata omogućio je aminokiselinama da se isuše kao u kaljuži na toplom, suhom mjestu u prebiotičkim uslovima. Otkrio je da su, kako su se sušile, stvarale su duge, često ukrštene, končaste, submikroskopske polipeptidne molekule koje da danas nazivaju proteinoidnim mikrosferama.

U drugom eksperimentu, uz slične metode pravljenja povoljnih uslova za nastanak života, Sidney W. Fox je posmatrao vulkanski materijal iz kratera (eng. cinder cone) na Havajima. Otkrio je da je, samo 10 centimetara ispod površine kratera, temperatura bila preko 100 °C i predložio to kao okolnosti u kojima je mogao nastati život: molekule su mogle nastati i potom putem slobodnog pepela dospjeti u more. Stavio je grude lave na aminokiseline koje su dobijene iz metana, amonijaka i vode, sterilizirao taj materijal i na aminokiselinama, pekao lavu nekoliko sati u staklenim uslovima. Na površini se oblikovala smeđa ljepljiva supstanca, a kada je lavu umakao u sterilnu vodu, iscurila je smeđa tekućina. Ispostavilo se da su aminokiseline stvarale proteinoide, a oni su se spojili u kuglice koje je Fox nazvao mikrosferama. Ti proteinoidi nisu bili ćelije, iako su oblikovali nakupine i lance koji liče na cijanobakterije. Međutim, oni nisu sadržavali djelotvorne nukleinske kiseline ili bilo kakve druge kodirane informacije za samoobnavljanje. Na osnovu takvih eksperimenata, Colin S. Pittendrigh je, 1967. izjavio da će se u laboratorijskim uslovima žive ćelije praviti za 10 godina, ali je ta tvrdnja ipak bila odraz pretjeranog entuzijazma tadašnjeg nepoznavanja složenosti ćelijske strukture.

Današnji modeli

Danas još uvijek ne postoji standardni model porijekla života. Najprihvaćenji modeli su oni koji se temelje bar na nekim elementima teorije molekulske ili hemijske evolucije života, koju su postavili Aleksandear Oparin (1924) i J. B. S. Haldane (1925). Prema njima, prve molekule koje su evoluirale u najranije ćelije, bile su sintetizirane u prirodnim uslovima, tokom sporih procesa molekulske evolucije, kada su se organizirale u prve molekulske sisteme sa svojstvima biološkog reda, tj sposobnostima autonomnosti, autoregulacije i autoreprodukcije. Predložili su da je atmosfera rane epohe zazvoja Zemlje bila hemijski ograničavajuća, prvenstveno sastavljena od metana, amonijaka, vode, vodikovog sulfida, ugljendioksida, ugljenmonoksida i fosfata s molekulskim kisikom i ozonom, u vrlo malim količinama ili bez njega. Prema kasnijim modelima, atmosferu u kasnom hadiju su uglavnom sačinjavali dušik i ugljendioksid, s manjim količinama ugljik monoksida, vodika i spojeva sumpora, uz nedostatak molekularnog kisika i ozona, ali nije bila hemijski ograničavajuća, kako su pretpostavljali Oparin i Haldane. U atmosferi koju su opisali, električna aktivnost može katalizirati nastanak jednostavnih organskih molekula kao što su aminokiseline, koje su osnovna gradivne jedinica proteina, a time i života. To je potvrdio Miller-Ureyev eksperiment iz 1953. godine.

Godine 1949., Bernal je osmislio naziv biopoiesis kojim je označio proces nastanaka života, a 1967. je predložio njegove tri faze:

1. nastanak bioloških monomera;
2. nastanak bioloških polimera, i
3. evolucija od sastavnih molekula do ćelije.

Sugerisao je da je evolucija počela negdje između 1. i 2. faze. Razumijevanje prve faze danas je na visokoj razini, a otkriće alkalnih hidrotermalnih izvora i njihova sličnost s protonskom pumpom, koja je jedan od temelja života bioloških sistema pružaju dokaze za drugu fazu. Bernal je smatrao da je treća faza – pronalaženje metode proučavanja kako su se biološke reakcije objedinjavale iza stanične membrane – najteže dokučiva. Moderna istraživanja mogućnosti samoorganizovanja kojim bi nastala ćelijska membrana i rad na mikrosporama u različitim supstratima predstavljaju aktuelna eksperimentalna istraživanja koja teže ka rješavanju problema razumijevanja treće faze.

Hemijski procesi koji su se odvijali u ranoj fazi Zemljine prošlosti poznati su pod zajedničkim nazivom - hemijska evolucija. Manfred Eigen i Sol Spiegelman su demonstrirali kroz ogled u kojem se evolucija, uključujući i razmnožavanje, varijacije i prirodni odabir, može odvijati u populaciji, kako molekula tako i organizama. Spiegelman je putem prirodnog odabira sintetizirao tzv. Spiegelmanovo čudovište, koje je imalo genom od samo 218 nukleotidnih baza. Na osnovu tog Spiegelmanovog rada, Eigen je proizveo sličan sistem sa samo 48 ili 54 nukleotida.

Hemijska evolucija bila je praćena pridruživanjem biološke evolucije, što je dovelo do nastanka prvih pravih samoobnovljivih ćelija. Nikome još nije pošlo za rukom da sintetizira protoćeliju, uz korištenje jednostavnih sastojaka koji su neophodni za život (tzv. bottom-up pristup izgradnje složenijih sistema od osnovnih elemenata). Bez takvih dokaza, objašnjenja se više usredsređuju na hemosintezu. Unatoč tome, postoje istaknuti istraživači, kao što su Steven Rasmussen i Jack W. Szostak, koji rade na tom području, uključujući bottom-up pristup. Druge hipoteze se zalažu za top-down pristup, u kojem se složeniji sistem pokušava objasniti na temelju rastavljanja i proučavanja pojedinih komponenti ili podsistema. Uspješni primjer top-down pristupa je eksperiment Craiga Ventera i drugih iz Instituta za genomska istraživanja (The Institute for Genomic Research), u kojem je uspješno stvorena prokariotska ćelija, prema već postojećem prirodnom modelu, ali s progresivno manje gena kako bi se doznala granica koja ispunjava minimalne zahtjeve za živi sistem.

Hemijsko porijeklo organskih molekula

Kladogram koji prikazuje ekstremne hipertermofile na temelju filogenetskog stabla života.

Osim vodika, svi elementi potiču od nukleosinteze tokom životnog ciklusa zvijezda. Složene molekule, uključujući i organske, nastaju kako u svemiru tako i na planetama. Postoje dva moguća izvora organskih molekula u ranoj fazi Zemljinog postojanja:

1. Zemaljsko porijeklo - organska sinteza posredovana udarima svemirskih objekata, kao šro meteoriti ili drugi izvori energije (UV zračenje, redoks reakcije, elektricitet). Podrška takvom tumačenju su rezultati eksperimenta kao što je Miller-Ureyev.
2. Vanzemaljsko porijeklo – podrazumijeva nastanak organskih molekula u međuzvjezdanoj prašini i njihovom šisrenju na planete.

Procjene tih izvora upućuju da je događaj poznat pod nazivom Kasno teško bombardovanje (engleski, Late Heavy Bombardment), koji se desio prije 3,5 milijardi godina. Tada se veliki broj asteroida sudarao s ranim planetama Sunčevog sistema, učinivši u ranoj atmosferi dostupnim velike količine organskih spojeva koje su uporedive sa onima proizvedenim drugim izvorima energije. Pretpostavlja se da je ovo bombardovanje također moglo djelotvorno sterilizovati Zemljinu površinu do više desetina metara dubine. Ako je život evoluirao dublje od toga, bio bi zaštićen i od vrlo visokih razina UV zračenja tadašnjeg Sunca. Oponašanjem geotermalno zagrijane okeanske kore dobijeno je daleko više organskih spojeva nego u slučaju Miller-Ureyevog eksperimenta. U dubokim hidrotermalnim izvorima, Everett Shock je uočio ogromni termodinamički potencijal u stvaranju organskih molekula, budući da su morska voda i hidrotermalne tekućine daleko od ravnoteže i da se miješaju prema stabilinijem stanju. Shock je ustanovio kako je maksimalna, dostupna energija prisutna pri temperaturama oko 100-150 °C, što su upravo onakve na kojima žive neke hipertermofilne bakterije i termoacidofilne archae koje se nalaze na samom korijenu filogenetskog stabla, najbliže posljednjem univerzalnom zajedničkom pretku (Last Universal Common Ancestor: LUCA).

Hemijska sinteza

Iako se osobine samoorganizacije, samoregulacije i samoobnavljanja često smatraju značajkama isključivo živih sistema, postoje brojni primjeri abiotičkih molekula koje pokazuju neka od tih obilježja u određenim, odgovarajućim uslovima. Stan Palasek je pokazao kako ribonukleinska kiselina (RNK) može sama spontano nastati zahvaljujući fizičkim svojstvima okolnih hidrotermalnih izvora. Samostalno sastavljanje virusa unutar ćelija domaćina također ima utjecaja u istraživanju porijekla života budući da povećava povjerenje u hipotezu o nastanku života putem samostalnog organizovanja organskih molekula. U ranoj prošlosti Zemlje postojali su višestruki izvori energije za hemijske reakcije. Naprimjer, toplota (u geotermalnim procesima) je standardni izvor energije u hemiji, uz sunčevu svjetlost i električno pražnjenje atmosfere (munje). Reakcije koje se teško i sporo odvijaju mogu se odvijati u datim uslovima nastati vrlo lahko, kao što je to slučaj u željezo-sumpor hemizmima. To je bilo važno i kod fiksacije ugljika (konverzija ugljika iz anorganskih u organske oblike). Ta fiksacija se uz željezo-sumpor reakcije, odvija u neutralnim vrijednostima pH i oko 100 °C. Tako su željezno-sumporne površine, koje su obilno prisutne u okolini hidrotermalnih izvora i danas sposobne proizvesti male količine aminokiselina i drugih metabolita.

Tako formamid proizvodi sva četiri ribonukleotida i druge biološke molekule, ako se zagrije u prisustvu različitih zemnih minerala. Formamid je sveprisutan u svemiru, gdje se javlja kao rezultat reakcije vode i cijanovodika (HCN). Kao mogući biološki prethodnik, ima nekoliko prednosti uključujući sposobnost da se tokom isparavanja vode vrlo lahko grupiše. Cijanovodik je otrovan samo za aerobne organizme (eukarioti i aerobne bakterije), koji na počecima nastanka života nisu postojali. Uz to, može imati ulogu i u drugim hemijskim procesima, kao što je sinteza aminokiseline glicina.

Godine 1961. je dokazano da purinska baza nukleinskih kiselina, adenin može nastati zagrijavanjem vodene otopine amonijevog cijanida (NH4CN). Također su uočeni i drugi vidovi sinteze baza iz anorganskog materijala. Leslie E. Orgel i saradnici su pokazali da su temperature smrzavanja pogodne za sintezu purina, zbog grupisanja ključnih prethodnika, kao što je cijanovodik. Istraživanje Stanleyja L. Millera i saradnika naslutilo je da dok sinteza adenina i guanina traži ledene uslove, a za sintezu citozina i uracila bi mogle biti potrebne temperature vrenja. Od 1972. do 1997. zabilježili su nastanak sedam različitih aminokiselina i 11 nukelobaza u ledu, kada su bili uključeni amonijak i cijanid.

Također pogledajte

• Evolucija
• Porijeklo života
• Život

Vanjski linkovi

• "Exploring Life's Origins: A Virtual Exhibit". Exploring Life's Origins: A Virtual Exhibit. Arlington County, VA: National Science Foundation. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Fields, Helen (oktobar 2010). "The Origins of Life". Smithsonian. Washington, D.C.: Smithsonian Institution. ISSN 0037-7333. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Fox, Douglas (28. 3. 2007). "Primordial Soup's On: Scientists Repeat Evolution's Most Famous Experiment". Scientific American. Stuttgart: Georg von Holtzbrinck Publishing Group. ISSN 0036-8733. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• "The Geochemical Origins of Life by Michael J. Russell & Allan J. Hall". Glasgow, Scotland: University of Glasgow. 13. 12. 2008. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Kauffman, Stuart (8. 8. 1996). "Even peptides do it". Nature. London: Nature Publishing Group. 382 (6591): 496–497. Bibcode:1996Natur.382..496K. doi:10.1038/382496a0. ISSN 0028-0836. PMID 8700218. Arhivirano s originala, 15. 10. 2006. Pristupljeno 10. 4. 2016. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
• Malory, Marcia. "How life began on Earth". Earth Facts. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Nowak, Martin A.; Ohtsuki, Hisashi (30. 9. 2008). "Prevolutionary dynamics and the origin of evolution" (PDF). Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Washington, D.C.: National Academy of Sciences. 105 (39): 14924–14927. Bibcode:2008PNAS..10514924N. doi:10.1073/pnas.0806714105. ISSN 0027-8424. PMC 2567469. PMID 18791073. Arhivirano s originala (PDF), 24. 9. 2015. Pristupljeno 10. 4. 2016. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
• "Possible Connections Between Interstellar Chemistry and the Origin of Life on the Earth". Space Science and Astrobiology at Ames. NASA. Arhivirano s originala, 29. 9. 2006. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• "Research Spotlight: Jack Szostak: Making Life from Scratch". Origins of Life Initiative. Cambridge, MA: Harvard University. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Schirber, Michael (9. 6. 2006). "How Life Began: New Research Suggests Simple Approach". LiveScience. Ogden, UT: Purch. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• "Scientists Find Clues That Life Began in Deep Space". NASA Astrobiology Institute. Mountain View, CA: NASA. 30. 1. 2001. Arhivirano s originala, 20. 2. 2013. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• "Simple Artificial Cell Created From Scratch To Study Cell Complexity". Science Daily. Rockville, MD: ScienceDaily, LLC. 16. 5. 2008. Pristupljeno 2. 7. 2015. Post is reprinted from materials provided by Pennsylvania State University.
• Singer, Emily (19. 7. 2015). "Chemists Invent New Letters for Nature's Genetic Alphabet". Wired. New York: Condé Nast. Pristupljeno 20. 7. 2015.
• Swaminathan, Nikhil (10. 6. 2008). "Scientists Close to Reconstructing First Living Cell". Scientific American (News). Stuttgart: Georg von Holtzbrinck Publishing Group. ISSN 0036-8733. Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Vasas, Vera; Fernando, Chrisantha; Santos, Mauro; et al. (5. 1. 2012). "Evolution before genes" (PDF). Biology Direct. London: BioMed Central. 7: 1. doi:10.1186/1745-6150-7-1. ISSN 1745-6150. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
• Zlobin, Andrei E. (2013). "Tunguska similar impacts and origin of life". Modern Scientific Researches and Innovations. Moscow: International Centre of Science and Innovations Ltd. (12). Pristupljeno 2. 7. 2015.
• Zlobin, Andrei E. (2014). "Symmetry infringement in mathematical metrics of hydrogen atom as illustration of ideas by V.I.Vernadsky concerning origin of life and biosphere" (PDF). Acta Naturae. Moscow: Park Media Ltd. (Special Issue 1): 48. ISSN 2075-8251. Arhivirano s originala (PDF), 6. 10. 2014. Pristupljeno 10. 4. 2016.

Video izvori

• Hazen, Robert M. (29. 4. 2014). The Origins of Life (Webcast). Baltimore, MD: Space Telescope Science Institute. Arhivirano s originala, 15. 4. 2016. Pristupljeno 3. 7. 2015. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)Hazen, Robert M. (29. 4. 2014). The Origins of Life (Webcast). Baltimore, MD: Space Telescope Science Institute. Arhivirano s originala, 27. 6. 2014. Pristupljeno 3. 7. 2015. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)— A 2014 Spring Symposium webcast (video; 38 m)
• "The Origin of Life" na YouTubeu — A Royal Institution Discourse lecture given by John Maynard Smith in 1995 (video; 58 m)
• "Space Experts Discuss the Search for Life in the Universe at NASA" na YouTube — Panel discussion at NASA headquarters on 14 July 2014 (video; 87 m)
• "Space Experts Discuss the Search for Life in the Universe at NASA" Svemirski eksperti iz NASA-e diskutuju o potrazi za životom u Svemiru na YouTube
• |access-date=2015-07-03 |location=Baltimore, MD |publisher=Space Telescope Science Institute}} — A 2014 Spring Symposium webcast (video; 38 m)
• "The Origin of Life" na YouTubeu — A Royal Institution Discourse lecture given by John Maynard Smith in 1995 (video; 58 m)
• "Space Experts Discuss the Search for Life in the Universe at NASA" na YouTube — Panel discussion at NASA headquarters on 14 July 2014 (video; 87 m)