Hipotezy dotyczące powstania życia na Ziemi i powstania świata

Hipotezy dotyczące powstania życia na Ziemi i powstania świata

Nikt nie wie, kiedy tak naprawdę powstał świat. Istnieje wiele hipotez dotyczących tego.
Według powszechnie przyjętej Wielkiego Wybuchu wszechświat powstał 15 mld lat temu na skutek potężnej eksplozji. To niezwykłe wydarzenie dało początek nie tylko materii, ale i energii, przestrzeni i czasowi. Na pytanie, co było przed Wielkim Wybuchem odpowiedź jest jedna- nic. Zdaniem naukowców, wszechświat tuż po wybuchu był bardzo mały i gorący, wypełniały go tylko cząstki promieniowania. Dopiero po mniej więcej 10 sekundach powstały cząstki elementarne- protony, neutrony i elektrony. Jednakże na narodziny atomów wodoru i helu trzeba było czekać jeszcze kilka tysięcy lat, aż wszechświat bardzo się rozszerzył i oziębił.
Ziemia powstała ok. 5 miliardów lat temu. W wyniku sił przyciągania, rozpadu pierwiastków promieniotwórczych nastąpiło rozgrzanie wnętrza planety oraz uszeregowanie pierwiastków. W głębi planety są pierwiastki cięższe na powierzchni lekkie. W kolejnych miliardach lat planeta stygła, a nad powierzchnią powstawała pierwotna atmosfera. Pierwotna atmosfera składała się z pary wodnej, amoniaku, CO2, metanu, siarkowodoru, wodoru. Dalsze ochładzanie planety poniżej 100C powodowało skraplanie pary wodnej, która nieustannie obmywała powierzchnię Ziemi tworząc pierwotne oceany. W tym samym czasie powierzchnia planety zaczynała krzepnąć i tworzyła skorupę ziemską. Proces krzepnięcia nie został zakończony do dzisiaj. Objął tylko zewnętrzną warstwę o grubości: na kontynencie 32-40 km (średnica Ziemi wynosi 12 800 km), a pod dnem oceanów około 5 km. Skorupa ziemska zbudowana jest w większości ze skały nazywanej bazaltem, z której wynurzają się kontynenty (zbudowane z lekkiej skały granitowej). Tworzeniu się skorupy ziemskiej towarzyszyło fałdowanie, pękanie i przesuwanie warstw powierzchniowych. Procesy te jeszcze nie ustały. Początkowo przesuwaniu warstw powierzchniowych towarzyszyło powstawanie olbrzymich pęknięć, wypiętrzanie mas lądu i tworzenie gór. Obecnie wnętrze Ziemi pod skorupą ziemską wypełnia magma, nazywana płaszczem, a w samym środku planety znajduje się jądro (prawdopodobnie zbudowane z roztopionego żelaza i niklu w temperaturze 6000C).
Gromadzenie wody na powierzchni ziemi powodowało zmniejszanie grubych chmur. Zaczynało docierać do planety coraz więcej promieni słonecznych. Następowało zasolenie wody w wyniku rozpuszczenia związków mineralnych obecnych w skorupie ziemskiej. Zaczynały się tworzyć warunki umożliwiające powstawanie pierwotnych form życia.
Wczesna Ziemia nie wyglądała tak jak teraz. Oczywiście pozbawiona była organizmów żywych, a zatem wszystkich skutków ich działalności takich jak powszechne obecnie skały osadowe pochodzenia organicznego czy erozja gleb wywołana działaniami organizmów. Układ kontynentów też był zupełnie inny. Jednak różnice nie dotyczyły jedynie kształtu powierzchni ? ważną różnicą było to, że atmosfera miała charakter redukujący, nie zaś utleniający jak dzisiaj. Składała się ona ze związków takich jak azot, para wodna, metan, dwutlenek węgla i tlenek węgla. Chociaż nie ma konsensusu wśród naukowców co do dokładnego składu wczesnej atmosfery, wiadomo że nie zawierała ona prawie wcale wolnego tlenu.
We współczesnej atmosferze tlenu i azotu nie tylko nie formują się spontanicznie związki organiczne (bo nie zawiera ona węgla, i jedynie bardzo nieznaczne ilości wodoru w postaci pary wodnej), ale wiele z nich rozkłada się reagując z tlenem. Zupełnie inaczej było jednak w pełnej związków węglowych atmosferze redukującej ? pod wpływem wyładowań atmosferycznych, temperatury i innych czynników samorzutnie formowały się stanowiące podstawę życia związki organiczne.
Najstarszym organizmem, który potrafimy dobrze odtworzyć analizując geny współczesnych komórek jest ostatni uniwersalny wspólny przodek (last universal common ancestor, LUCA), czyli ostatni wspólny przodek wszystkich ziemskich organizmów. Jest on bardzo złożoną komórką ? posiadał kod genetyczny w postaci RNA i DNA, rybosomy, syntezował białkowe enzymy, które katalizowały setki reakcji koniecznych w metabolizmie (najprawdopodobniej chemoautotroficznym) oraz syntezie elementów komórki.
Historia życia pomiędzy martwym oceanem pełnym związków organicznych a LUCA jest jednak pełna zagadek. Współczesne życie ma kilka cech ? składa się ze zbudowanych z różnych substancji organicznych zamkniętych półprzepuszczalnymi błonami komórek, które posiadają materiał genetyczny i wykazują metabolizm.
Alternatywną teorią jest hipoteza panspermii, według której życie przybyło na Ziemię z kosmosu w postaci unoszących się w przestrzeni kosmicznej przetrwalników bakterii. Wiemy, że przetrwalniki potrafią przetrwać w bardzo rozrzedzonej atmosferze na wysokości kilkudziesięciu kilometrów, i że dość niewielkie ilości skały w bardzo dużym stopniu ograniczają negatywne skutki występującego w przestrzeni kosmicznej promieniowania na ich kod genetyczny. Tak więc mogłyby one teoretycznie przenosić się np. w meteorytach i ożywić w korzystnych warunkach na innej planecie.
Krokiem naprzód w ewolucji życia była umiejętność wykorzystywania energii słonecznej w procesach życiowych. Fotosynteza polegała na przekształceniu energii światła słonecznego w energię chemiczną, która może być wykorzystana przez organizm. Dwutlenek węgla łączy się z wodą, w wyniku czego powstaje glikoza-prosty cukier. Produktem tego procesu jest także tlen.
Lamarck uważał, że istnieje wewnętrzna siła powodująca samorzutne powstawanie organizmów z elementarnych składników organicznych. Organizmy pod wpływem tej samej siły ulegają następnie coraz większemu komplikowaniu. Lamarck sądził, że życie powstaje w ten sposób nieustannie z różnych substancji pochodzących z rozkładu organizmów obumarłych. Tego rodzaju wiara w samorództwo była wówczas szeroko rozpowszechniona, a podważyły ją dopiero proste i przekonujące doświadczenia L. Pasteura.
Choć obecnie najważniejszym źródłem wiedzy o historii życia są badania genetyczne współcześnie żyjących organizmów, historycznie głównym źródłem wiedzy o historii życia były skamieniałości. Jedną z najważniejszych zalet skamieniałości jest możliwość precyzyjnego określenia bezwzględnego wieku skamieniałych organizmów na podstawie wieku warstwy osadowej, w której zostały znalezione. Drugą jest możliwość badania organizmów, które nie mają żadnych współcześnie żyjących potomków, tak jak np. wiele grup dinozaurów.
Tu niestety kończą się zalety i zaczyna się długa lista wad:
-Skamieniałości jest bardzo niewiele. Typową sytuacją jest posiadanie jedynie kilku niekompletnych szkieletów dla całej dużej grupy zwierząt.
-Skamieniałości dostarczają bardzo niewielkiej ilości informacji, praktycznie wyłącznie o kształcie organizmu. Na tej podstawie można lepiej lub gorzej odtworzyć wiele innych cech, np. o trybie życia, jednak uzyskanie wielu informacji pozostaje zupełnie niemożliwe tą metodą.
-Ponieważ jedyne, co znamy to szkielet bądź jego fragmenty, wiele zmian będzie niezauważonych.
-Ewolucja organizmów jednokomórkowych nie pozostawiła praktycznie żadnego śladu w skamieniałościach.
Naukowcy wydzielają poszczególne etapy powstawania życia na naszej planecie, które to odzwierciedlają kolejne etapy jego komplikacji. W ten sposób wyróżnia się po kolei:
-Ewolucję chemiczną - kiedy to "życia" właściwie jako takiego do końca nie było. Występowały za to jego cegiełki, czyli różnego rodzaju, proste związki chemiczne. Stopniowe ochładzanie się Ziemi wiązało się ze skraplaniem pary wodnej i powstawaniem wody, a co za tym idzie ogromnych obszarów wodnych - praoceanów. Ziemia była wtedy jeszcze bardzo niestabilną planetą, którą charakteryzowała wysoka aktywność wulkaniczna, co także sprzyjało (wg niektórych naukowców) powstawaniu nowych kombinacji chemicznych. W atmosferze nie było tlenu!
-Ewolucję molekularną - na tym etapie zaczęły pojawiać się już bardziej złożone związki chemiczne - od niewielkich cząsteczek po monomery, dimery oraz polimery. Uważa się, że już w tedy występowało zjawisko doboru naturalnego, który to działał właśnie na te związki pozostawiając niejako przy życiu te najsprawniejsze. Wśród tych związków miały kształtować się koloidalne kompleksy lipidowo- białkowe tzw. "koacerwaty", w których to Oparin upatrywał prekursorów dzisiejszych komórek.
-Ewolucja biologiczna - jak sama nazwa wskazuje mogła ona nastąpić dopiero, gdy doszło do wykształcenia się żywych jednostek. Co to jednak oznacza? Jakie wymagania musi spełniać "jednostka", aby można mówić o niej, że "żyje"? Ogólnie uważa się, iż takimi wymaganiami są: zdolność do replikacji, przemiany materii (metabolizmu), ujednolicona struktura chemiczna oraz występowanie drobnych różnic między "jednostką" wyjściową a jej "replikami". Ta niedokładność w powielaniu oraz zdolność do dziedziczenia losowych zmian (i tych dobrych i złych) są warunkiem do zaistnienia doboru naturalnego - podstawowego procesu napędzającego ewolucję świata żywego.