Poglądy dotyczące powstania życia na Ziemi

Myśl o początkach życia na Ziemi można uznać za tak starą, jak ludzkość. Najstarsze mity i wierzenia religijne rozpoczynają się od opowiadań o stworzeniu świata, życia i pierwszych ludzi. Jest rzeczą charakterystyczną, że według tych antycznych podań, człowiek i istoty żywe powstały z ciał nieorganicznych: ziemi, kamienia, gliny dzięki interwencji sił nadprzyrodzonych (bóstw), które były najczęściej istotami podobnymi do człowieka, tylko znacznie potężniejszymi od niego. Bóstwa kierowały siłami przyrody lub bezpośrednio je reprezentowały, człowiek pierwotny zaś ich nie znał, nie rozumiał i bał ich się. Akt stworzenia przebiegał jako zjawisko cudowne, ale analogiczne do procesów obserwowanych w przyrodzie, takich jak rozmnażanie lub czynności wykonywanych przez człowieka (np. lepienie gliny).
W ten sposób pierwotne mity i wierzenia o nadprzyrodzonym powstaniu życia na Ziemi na drodze ewolucji doprowadziły do stworzenia idei jednego boga-twórcy, rozumnego i świadomego, który zbudował wszechświat celowo, który na drodze aktu stworzenia powołał do życia rośliny, zwierzęta i człowieka jako pana Ziemi. Mityczna idea cudownego stworzenia życia na Ziemi przetrwała do dnia dzisiejszego, jako jeden z centralnych punktów wierzeń religijnych.
Pierwsze znane nam historycznie próby materialistycznego wytłumaczenia powstania życia na Ziemi zrodziły się na bazie rewolucji gospodarczej w VI wieku p.n.e. w antycznej Grecji, kolebce europejskiej kultury i nauki. Chronologicznie pierwszymi są poglądy założyciela jońskiej szkoły filozoficznej Talesa z Miletu. Pierwotna jest woda, z niej powstał ląd, na którym pod wpływem ciepła z mułu i iłu, substancji nieorganicznych, wylęgły się zarodniki najprymitywniejszych istot żywych, dając początki światu organicznemu.
Podobne poglądy głosił uczeń Talesa Anaksymader. Z pramaterii powstały cztery żywioły: ogień, woda, powietrze i ziemia. Pod wpływem twórczego działania promieni słońca, z mokrej ilastej ziemi zrodziły się pęcherzykowate twory, z których rozwinęły się ustroje podobne do ryb, te z czasem wypełzły na ląd i ulegając stałym modyfikacjom dały początek wszystkim organizmom lądowym i w końcu człowiekowi.
Materialistyczne poglądy na genezę życia na Ziemi, podobnie jak Anaksyrnander, głosili późniejsi filozofowie greccy, w pierwszym rzędzie Demokryt, twórca najdoskonalszej w starożytności atomistycznej teorii budowy świata.
Zgodnie z poglądami Demokryta podstawę Wszechświata stanowi materia, składająca się z mnóstwa najdrobniejszych cząstek znajdujących się w wiecznym ruchu i oddzielonych od siebie pustymi przestrzeniami. Życie nie jest wynikiem twórczości boskiej, lecz rezultatem sił przyrody. Powstawanie żywych istot lub ich samorództwo z mułu i wody jest wynikiem przypadkowego, a zarazem w pełni określonego łączenia się pozostających w ruchu atomów, przy czym najdrobniejsze cząstki wilgotnej gleby łączą się z atomami ognia.
Jest rzeczą ciekawą, że największy filozof i przyrodnik starożytności Arystoteles nie zajmował się bezpośrednio problemem początków życia na Ziemi. Przyjmował on hipotezę stałego, uniwersalnego samorództwa. Większość bezkrwistych (głowonogi, skorupiaki, owady, robaki i inne) miała z reguły powstawać bez udziału rodziców. Rośliny mogły w pewnych wyjątkach rodzić się z gleby, a niektóre ryby nawet powstawać z mułu, a myszy ze słomy. Larwy pszczół, os jak również kleszcze i świetliki rodziły się według niego z rosy, gnijącego mułu i nawozu, suchego drewna, włosów, potu i mięsa. Glisty - z rozkładających się części ciała i odchodów. Komary, muchy, mole, pchły, pluskwy powstawały z próchnicy pól, z pleśni, gnijących owoców, z nieczystości zwierzęcych oraz ze starej wełny. Zdolność do samorództwa mają też inne żywe istoty, np. raki i mięczaki rodziły się z wilgotnej gleby, węgorze zaś i inne ryby ze szlamu, piachu i rozkładających się wodorostów. Uniwersalne samorództwo stanowiło najsłabszą stronę poglądów Arystotelesa.
Wszystkie poglądy, które nie stały w jawnej sprzeczności z dogmatami o stworzeniu świata, przejął od Arystotelesa kościół chrześcijański.
Tą drogą naiwna idea Arystotelesa o samorództwie przeszła do scholastycznej nauki średniowiecznej, w której panowała niepodzielnie do końca XVII w. W tym czasie powszechne były rozpowszechniane przez Kościół legendy o gęsim drzewie, roślinnym jagnięciu i homunkulusie.
Legendę o gęsim drzewie spotykamy już na początku XI w. Mówiła ona o powstawaniu ptaków ze smoły iglastych drzew wskutek ich stykania się z solą morskich wód. Inna legenda, o roślinnym jagnięciu, mówiła o tym, „że w tatarskim chanacie rosną olbrzymie dynie, które dojrzewając ujawniają w swym wnętrzu jagnięta pokryte białą sierścią mające bardzo smaczne mięso”. Bajka ta przetrwała aż do połowy XVII w.
Wiarę w samorództwo zwierząt wyższych podważyli dopiero w końcu XVII w. Redi i Wallia, którzy na drodze prostego eksperymentu dowiedli, że "robaki" lęgną się w gnijącym mięsie nie samorodnie, lecz z jaj złożonych tam uprzednio przez muchy. Stwierdzenie tego faktu nie przeszkadzało Rediemu wierzyć w samorództwo pasożytów wnętrzniaków. Przeszło 100 lat później badania Siebolda, Kuchenmeistra, Leuckarta wykazały, że glisty i tasiemce rozwijają się z jaj i zarodków, które dostały się z zewnątrz.
Idea samorództwa, lecz tym razem istot mikroskopowych rozwija się w XVIII w., z chwilą ulepszenia mikroskopu, kiedy przed okiem badaczy ukazuje się nieznany świat pierwotniaków, drożdży, glonów.
Niespodziewane pojawienie się tych organizmów w różnych płynach, które uważano za sterylne, przypisywano samorództwu. Na tym stanowisku stał Needham, który przygotował nalewki sianowe i obserwował pojawienie się w nich wymoczków. Wnosił on stąd, że pierwotniaki powstają samorodnie.
W tym czasie ostre polemiki prowadzili ze sobą wybitni biolodzy tego okresu - SpaIIanzani z Needhamem. Z kolei Tierechowski przeprowadził szereg doświadczeń wykazując, że samorództwo mikroorganizmów nie może mieć miejsca. Kiedy w pierwszej połowie XIX w. wykryto organizmy jeszcze mniejsze – bakterie (Mantegazza, Pouchet), wielu badaczy zaczęło przypisywać bakteriom tym samorodne powstawanie. Stało się to przyczyną słynnego sporu o samorództwo bakterii, który skłonił Francuską Akademię Nauk do wyznaczenia specjalnej nagrody za rozwiązanie tego zagadnienia (lata sześćdziesiąte XIX stulecia). Spór ostatecznie rozstrzygnął Ludwik Pasteur na drodze całego szeregu znakomitych doświadczeń. Na ich podstawie Pasteur dowiódł, że bakterie mogą powstać tylko z bakterii lub zarodników, które znajdują się wszędzie w dużych ilościach: w powietrzu, ziemi, na przedmiotach, w wodzie. Pracami tymi Pasteur obalił ostatecznie pogląd o istnieniu samorództwa bakterii.
Z doświadczeń Pasteura wyciągnięto wniosek, że samorództwo w ogóle jest niemożliwe, a organizmy żywe dzieli od materii martwej nieprzebyta przepaść. Pomimo, że z prac Pasteura wyciągnięto błędne wnioski dotyczące samorództwa, to jednak odegrały one poważną rolę, dając naukowe podstawy stosowania aseptyki w medycynie i rozwojowi przemysłu konserwowego.
Historia walki z hipotezą uniwersalnego powszechnego samorództwa miała bezwzględnie charakter postępowy, mimo że w konsekwencji starano się jej wyniki obrócić przeciwko jednemu słusznemu poglądowi, że życie na Ziemi powstało samorodnie, co oczywiście nie musi być w żadnym związku z tezą, że stosunkowo złożone organizmy mają nadal powstawać z materii martwej. Ta jedynie słuszna hipoteza samorództwa rozwojowego (samorodne powstawanie w odległych epokach z materii nieożywionej pierwszych najprostszych organizmów) zapoczątkowana już przez greckich myślicieli znalazła w XVIII w. i w początkach XIX w. wielu kontynuatorów wśród przyrodników i filozofów.
Na rozwój tych poglądów miał zdecydowany wpływ szybki wzrost wiedzy, który doprowadził do stworzenia teorii ewolucji. Na specjalną uwagę zasługują poglądy Buffona, chociaż występuje w nich w pewnej mierze fantazja, jednak wiele tam znaleźć można słusznych i głębokich myśli. Twierdził on, że Ziemia powstała z masy ognistej materii, która oderwała się od słońca na skutek wstrząsu, spowodowanego uderzeniem komety. Oziębianie się Ziemi w późniejszym okresie było przyczyną skroplenia pary wodnej, wchodzącej w skład atmosfery. Tą drogą powstały gorące oceany, które pokryły prawie całą powierzchnię globu ziemskiego. W gorących oceanach w substancji nieorganicznej powstały drobniutkie cząsteczki żywej materii. Pierwszymi istotami były zwierzęta wodne.
Podobne poglądy na powstanie pierwszych organizmów z substancji nieorganicznych w pramorzach głosili w XVIII w. francuski filozof, encyklopedysta, Diderot, w Anglii Erazm Darwin, dziadek Karola. Na stanowisku samorództwa stał też wielki Lamarck, Baer, Oken, twórca teorii praśluzu (Urschleim). Życie na Ziemi według tego ostatniego miało powstać z substancji bezstrukturalnej (praśluzu), z której następnie wynurzyły się pęcherzykowate twory – pierwotniaki. Te zaś ulegając przekształceniom dały początek bardziej skomplikowanym organizmom. Rozumowanie Okena miało charakter mglistych i niezbyt jasno wypowiedzianych spekulacji i jako takie nie wywarło większego wpływu na naukę.
Wydane w 1859 r. epokowe dzieło Karola Darwina, „O powstawaniu gatunków”, miało olbrzymi wpływ na rozwój nauk biologicznych. Naukowe rozwiązanie zagadnienia życia na Ziemi stawało się palącą potrzebą chwili. Haeckel, stojąc na stanowisku ewolucjonizmu, zdecydowanie przeciwstawiał się wnioskom, jakie wyciągano z doświadczeń Pasteura, mówiąc : "przeczyć samorództwu to znaczy wierzyć w cud". Pierwsze organizmy według Haeckla powstały samorodnie w początkowych okresach rozwoju Ziemi z substancji nieorganicznej pod wpływem sił fizycznych tworząc bezjądrowe, pierwotne komórki – monery. Teoria Haeckla była zdecydowanie mechanistyczna i oparta na założeniach Kartezjusza, według którego organizm był tylko bardziej skomplikowanym mechanizmem i mógł on powstać z przypadkowych kombinacji elementów nieorganicznych.
Inni twierdzili, iż życie ciągle trwa i przenosi się z jednej planety na drugą pod postacią zarodników, które jeżeli znajdują się w warunkach sprzyjających, kiełkują dając początek światu organicznemu. Zarodniki mają się przenosić z planety na planetę przez meteoryty lub istnieć wiecznie (Richter).
Większość biologów przyjmuje obecnie, że życie powstało na naszej planecie samorzutnie około 3 miliardów lat temu. Ludzie wierzący wyznają pogląd, że stwórcą wszechświata jest Bóg i On zapoczątkował życie na Ziemi. W Stanach Zjednoczonych istnieją do dziś grupy religijne, które uważają, że należy dosłownie według Starego Testamentu przyjmować, iż Bóg stworzył Ziemię w ciągu 6 dni i ukształtował życie w ostatecznej postaci dziś znanych organizmów, z człowiekiem włącznie. Ci ludzie to tak zwani kreacjoniści. Próbują nawet tworzyć teorie uzasadniające ich przekonania. Można też założyć, że życie w ogóle nie powstało na Ziemi, a pierwsze, najprostsze żywe organizmy dotarły do niej z kosmosu. W roku 1908 astronom holenderski Svante Arrhenius stworzył teorię panspermii, według której życie na Ziemię dotarło z innych ciał niebieskich w postaci przetrwalników bakterii, wraz z meteorytami lub nawet pod ciśnieniem fal świetlnych. Twierdził on, iż mogą one się wydostawać z górnych warstw atmosfery ziemskiej i następnie wędrować w przestrzeniach międzyplanetarnych. Pył z zarodnikami bakterii z chwilą wydostania się w przestrzenie międzyplanetarne pod wpływem światła znajduje się w ruchu. Dzięki temu nabiera olbrzymiej szybkości. Svante Arrhenius obliczył, że pyłek oderwany od Ziemi już po 14 miesiącach powinien znaleźć się poza granicą naszego systemu słonecznego. Teorię powszechności życia znajdowały poparcie w niektórych faktach naukowych. Badania nad zarodnikami bakterii wykazały, że mogą one znieść wysokie temperatury, nawet do 120 C, jak i przebywać przez dłuższy czas w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Teoria wieczności życia musiała jednak szybko runąć pod naporem nowych faktów, z którymi stała w jawnej sprzeczności. Odkrycie w przestrzeniach międzyplanetarnych promieniowania ultrafioletowego i kosmicznego silnie zabójczego nawet dla zarodników przeczy możliwości teorii posiewu życia. W ostatnich latach Francis Crick, jeden z twórców modelu DNA rozważał możliwość wysłania przez mieszkańców jakiejś innej planety, niekoniecznie nawet z naszego Układu Słonecznego, statku kosmicznego, wiele miliardów lat temu, z którego "zainfekowano" Ziemię jakimiś bakteriami, aby następnie obserwować, co z tego eksperymentu wyniknie. Jest to oczywiście możliwe, ale nie ma na to żadnych dowodów. Gdyby nawet tak było to jak żywe twory powstały na innej planecie? Wiąże się to z problemem, czy życie jest tylko "specjalnością" Ziemi, czy też mogło powstać również gdzie indziej w kosmosie. Z obliczeń astronomów wynika, że wiek tylko naszej galaktyki wynosi 1010 lat, a liczbę gwiazd szacuje się na 1011. Jest więc możliwe, że na niektórych planetach krążących wokół tych gwiazd istnieją warunki umożliwiające powstanie życia, podobnie jak na Ziemi. W ostatnich latach w kilku ośrodkach astronomicznych zainstalowano aparaturę do odbierania ewentualnych sygnałów nadawanych przez twory żywe z innych planet. Dotąd takich sygnałów nie zarejestrowano.
W drugiej połowie XIX w., kiedy teorie wieczności życia walczyły o prymat z samorództwem Fryderyk Engels tworzył podstawy pod współczesną naukową hipotezę powstania życia, wykazując jednocześnie idealistyczne założenia i naukowe błędy wcześniejszych teorii. Pomimo, że w tym czasie nie było jeszcze znane promieniowanie ultrafioletowe i kosmiczne, Engels wykazał, że jest rzeczą niemożliwą, aby dłuższy czas żywe białko, które jest bardzo wrażliwe na warunki otoczenia, mogło przebywać w przestrzeniach międzygwiezdnych. Podobna teoria mogła się zrodzić na skutek słabego stopnia rozwoju chemii organicznej, której Engels przypisuje olbrzymie znaczenie w rozwiązaniu zagadnienia początków życia na Ziemi.
Engels nie ograniczał się tylko do krytyki. W dialektyce przyrody zawarte są postawy nowoczesnej materialistycznej teorii pochodzenia życia na Ziemi. Zasługą Engelsa na tym polu jest po pierwsze podanie wnikliwej i wyprzedzającej swoje czasy definicji życia: „Życie jest formą istnienia ciał białkowych, której istotnym momentem procesu życia jest nieustanna wymiana materii z otaczającą je przyrodą zewnętrzną i która znika wraz z przerwaniem procesu wymiany materii, co prowadzi w konsekwencji do rozkładu białka.”
Istnienie życia na Ziemi jest więc związane z powstaniem złożonego związku organicznego – białka.
Po drugie zasługą Engelsa jest zwrócenie uwagi na właściwości podstawowego składnika żywej materii – węgla, na różne zachowanie się jego w zależności od temperatury, na zdolność łączenia się w łańcuchy i powinowactwo do innych pierwiastków chemicznych.
Po trzecie Engels stojąc zdecydowanie na stanowisku samorództwa wykazał, że w rozwoju ewolucyjnym między żywym organizmem a materią martwą musiał istnieć etap, w którym życie istniało pod postacią żywego białka.
Po czwarte, że powstanie życia na Ziemi nie było i nie mogło być przypadkiem. Życie powstało w wyniku ewolucji materii, jako nowa, jakościowo różna forma ruchu (metabolizm ciał białkowych) i było koniecznością wypływającą z tej ewolucji.
Te założenia Engelsa są podstawą współczesnych realistycznych teorii pochodzenia życia na Ziemi. Współczesną najlepiej podbudowaną faktami naukową hipotezą, która starała się przedstawić powstanie życia jako historyczny proces rozwoju materii, jest teoria radzieckiego uczonego A. Oparina. Przed Oparinem za naukowe próby wytłumaczenia genezy życia można uznać hipotezy Pflgera, Allena i Osborna, jednak w zestawieniu ze współczesnymi faktami naukowymi mają one znaczenie już tylko historyczne.
Teoria Oparina została po raz pierwszy ogłoszona w roku 1923. Nawiązywała ona w swej zasadniczej postaci do teorii kosmogonicznych, które przyjmowały, że Ziemia znajdowała się początkowo w stanie silnego rozgrzania. Chociaż nikt nie wie na pewno, jak wyglądał świat przed 4 miliardami lat temu, w latach dwudziestych Oparin i Haldane, wysunęli sugestię, że w owych czasach atmosfera była niemal całkowicie pozbawiona tlenu, a za to obfitowała w amoniak, wodę, tlenek węgla, metan, wodór i pewną ilość innych substancji. Oparin i Haldane zasugerowali także, że powierzchnia Ziemi mogła być w przeważającej części zalana gorącą wodą, podgrzewaną przez ciekłe skały żarzące się tuż pod powierzchnią cieniutkiej skorupy stanowiącej dno oceanu. Naukowcy wysunęli tezę, że ta mieszanka gazów i gorącej wody - tzw. "bulion" - zawierała wszystkie składniki potrzebne do syntezy żywych organizmów. Kluczowa reakcja miała zostać wywołana przez aktywność wulkaniczną, intensywne promieniowanie nadfioletowe przenikające przez cienką warstwę atmosfery albo energię elektryczną pochodzącą z wyładowań atmosferycznych.
Ta teoria została przetestowana doświadczalnie przez amerykańskiego naukowca Stanleya Millera w 1953 roku. Za pomocą dwóch kolb i kilku szklanych rurek Miller zbudował model pradawnego świata. W jednej kolbie zmieszał roztwór, który teoretycznie, miał taki sam skład co woda morska. Przestrzeń nad wodą napełnił mieszaniną gazów, które, również teoretycznie, miały odpowiadać składowi atmosfery. Szklana rurką łączyła tę kolbę z drugą, zawierającą elektrody, których zadaniem było wywołanie iskry - maleńkiej błyskawicy. Odpływ z komory iskrowej prowadził przez kolejną rurkę dochodzącą z powrotem do pierwszej kolby przez skraplacz i zbiornik otrzymanych produktów reakcji w kształcie litery U. Kiedy Miller podgrzał mieszaninę w pierwszej kolbie, zmieniła ona postać na gazową, przewędrowała do komory iskrowej, potem została skroplona i powróciła do pierwszej kolby. Po całotygodniowym podgrzewaniu, poddawaniu działaniu iskry i skraplaniu mieszaniny nastąpiła analiza zawartości kolby. Rezultaty wynagrodziły wysiłek. Badana mikstura zawierała trzy aminokwasy - składniki potrzebne do budowy białek. Inni naukowcy zaakceptowali teorię i zaczęli prowadzić podobne eksperymenty, otrzymując w ich wyniku więcej aminokwasów, a nawet proste nukleotydy - podstawowe składniki DNA.
Opisane eksperymenty wydają się być przekonujące. W rezultacie można przypuszczać, że w przeciągu kilku milionów lat naukowcom udałoby się zsyntetyzować dużą ilość całych białek. Nawet samo DNA, składające się z tysięcy precyzyjnie ułożonych atomów mogłoby powstać w wyniku takich reakcji. Przypadkowo powstały kwas dezoksyrybonukleinowy mógłby powielać sam siebie, budować własne białka i inne złożone substancje organiczne i rozwinąć się w zdolną funkcjonować i rozmnażać formę życia, jaką jest komórka bakterii. Taki lub podobny proces musiał chyba kiedyś zajść, ale matematyczne prawdopodobieństwo wygenerowania złożonej substancji, czyli białka lub samego DNA, na drodze przypadkowego połączenia związków chemicznych w prymitywnym morzu jest nieskończenie małe. Szansę takiego zdarzenia można porównać do rozpatrywań dotyczących małpy i maszyny do pisania: jeśli damy stworzeniu dostateczną ilość papieru i kilka lat na eksperymenty z pisaniem, może się zdarzyć, że skleci kilka zrozumiałych wyrazów; jednak szanse na to, że małpa stworzy wielkie dzieło literackie są praktycznie żadne. Tak małe prawdopodobieństwo jest obecnie szeroko zaakceptowane przez naukowców. Ich wysiłki koncentrują się teraz na szukaniu mechanizmu, który sprawia, ze aminokwasy, takie jak te otrzymane w laboratorium Millera, łączą się tworząc białka bez instrukcji DNA. Jeśli uda się znaleźć taki mechanizm, zbliżymy się do odkrycia początków DNA, a co za tym idzie, do początków życia na Ziemi.