Het leven op aarde verscheen meer dan 3,5 miljard jaar geleden - het is moeilijk om het moment nauwkeuriger te bepalen, alleen al omdat het niet gemakkelijk is om de grens te trekken tussen "bijna levend" en "echt levend". We kunnen echter met zekerheid zeggen dat dit magische moment zich vele, lange miljoenen jaren uitstrekte. Toch was het een echt wonder.
Om dit wonder op zijn werkelijke waarde te waarderen, moet u kennis maken met een aantal moderne theorieën die verschillende opties en stadia van de geboorte van het leven beschrijven. Van een levendige maar levenloze reeks eenvoudige organische verbindingen tot protoorganismen die de dood hebben gekend en een eindeloze race van biologische variabiliteit zijn binnengegaan. Zijn deze twee termen - veranderlijkheid en dood - tenslotte niet de oorzaak van de hele som van het leven?..
1. Panspermia
De hypothese over het naar de aarde brengen van leven vanuit andere kosmische lichamen heeft veel gezaghebbende verdedigers. Deze functie werd bekleed door de grote Duitse wetenschapper Hermann Helmholtz en de Zweedse chemicus Svante Arrhenius, de Russische denker Vladimir Vernadsky en de Britse natuurkundige Kelvin. Wetenschap is echter een rijk van feiten, en na de ontdekking van kosmische straling en het vernietigende effect ervan op alle levende wezens, leek panspermie te sterven.
Maar hoe dieper wetenschappers zich verdiepen in de kwestie, hoe meer nuances er naar voren komen. Dus nu - inclusief het uitvoeren van talrijke experimenten op ruimtevaartuigen - nemen we veel serieuzer het vermogen van levende organismen om straling en kou, gebrek aan water en andere "geneugten" van het zijn in de ruimte te tolereren. De vondsten van allerlei organische verbindingen op asteroïden en kometen, in verre gas- en stofclusters en protoplanetaire wolken zijn talrijk en zonder twijfel. Maar beweringen over de ontdekking in hen van sporen van iets dat verdacht veel op microben lijkt, blijven onbewezen.
Het is gemakkelijk in te zien dat de theorie van panspermie, ondanks al zijn fascinatie, de vraag naar de oorsprong van het leven alleen naar een andere plaats en een andere tijd verplaatst. Wat de eerste organismen ook naar de aarde bracht - of het nu een willekeurige meteoriet was of een sluw plan van hoogontwikkelde buitenaardse wezens, ze moesten ergens en op de een of andere manier geboren worden. Laat niet hier en veel verder in het verleden - maar het leven moest ontstaan uit levenloze materie. De vraag "Hoe?" stoffelijk overschot.
Promotie video:
1. Onwetenschappelijk: spontane generatie
De spontane oorsprong van hoogontwikkelde levende materie uit niet-levende materie - zoals de geboorte van vliegenlarven in rottend vlees - kan worden geassocieerd met Aristoteles, die de gedachten van vele voorgangers generaliseerde en een holistische doctrine van spontane generatie vormde. Net als andere elementen van Aristoteles 'filosofie was spontane generatie de dominante doctrine in middeleeuws Europa en genoot enige steun tot de experimenten van Louis Pasteur, die onomstotelijk aantoonde dat zelfs vliegenlarven oudervliegen nodig hebben om te verschijnen. Verwar spontane generatie niet met moderne theorieën over de abiogene oorsprong van het leven: het verschil tussen beide is fundamenteel.
2. Primaire bouillon
Dit concept sluit nauw aan bij de klassieke experimenten die door Stanley Miller en Harold Urey de status van de jaren vijftig hadden weten te verwerven. In het laboratorium modelleerden wetenschappers de omstandigheden die zouden kunnen bestaan nabij het oppervlak van de jonge aarde - een mengsel van methaan, koolmonoxide en moleculaire waterstof, talrijke elektrische ontladingen, ultraviolet licht - en al snel werd meer dan 10% van de koolstof uit methaan omgezet in de vorm van verschillende organische moleculen. In de Miller-Urey-experimenten werden meer dan 20 aminozuren, suikers, lipiden en nucleïnezuurvoorlopers verkregen.
Moderne variaties van deze klassieke experimenten maken gebruik van veel geavanceerdere opstellingen die beter passen bij de omstandigheden van de vroege aarde. Ze simuleren de impact van vulkanen met hun uitstoot van waterstofsulfide en zwaveldioxide, de aanwezigheid van stikstof, enz. Wetenschappers slagen er dus in om een enorme en gevarieerde hoeveelheid organisch materiaal te bemachtigen - mogelijke bouwstenen van potentieel leven. Het grootste probleem van deze experimenten blijft het racemaat: isomeren van optisch actieve moleculen (zoals aminozuren) worden in gelijke hoeveelheden in een mengsel gevormd, terwijl al het ons bekende leven (met een paar vreemde uitzonderingen) alleen L-isomeren omvat.
We komen echter later op dit probleem terug. Hier moet ook aan worden toegevoegd dat onlangs - in 2015 - Cambridge-professor John Sutherland en zijn team de mogelijkheid toonden om alle basismoleculen van het leven, componenten van DNA, RNA en eiwitten, te vormen uit een zeer eenvoudige set van initiële componenten. De belangrijkste karakters van dit mengsel zijn waterstofcyanide en waterstofsulfide, die in de ruimte niet zo zeldzaam zijn. Aan hen blijft het toevoegen van enkele mineralen en metalen die in voldoende hoeveelheden op aarde aanwezig zijn, zoals fosfaten, koper en ijzerzouten. Wetenschappers hebben een gedetailleerd reactieschema opgesteld dat heel goed een rijke "oersoep" zou kunnen creëren, zodat er polymeren in verschijnen en een volwaardige chemische evolutie een rol gaat spelen.
De hypothese van de abiogene oorsprong van leven uit "organische bouillon", die werd getest door de experimenten van Miller en Urey, werd in 1924 naar voren gebracht door de Sovjet-biochemicus Alexander Oparin. En hoewel de wetenschapper in de "donkere jaren" van de hoogtijdagen van het Lysenkoïsme de kant koos van tegenstanders van de wetenschappelijke genetica, zijn zijn verdiensten groot. Als erkenning voor de rol van academicus draagt zijn naam de hoofdprijs die wordt uitgereikt door de International Scientific Society for the Study of the Origin of Life (ISSOL): de Oparin-medaille. De prijs wordt om de zes jaar uitgereikt en is op verschillende momenten toegekend aan zowel Stanley Miller als de grote chromosoomonderzoeker, Nobelprijswinnaar Jack Shostak. Als erkenning voor de enorme bijdrage van Harold Urey, kent ISSOL de Urey Medal tussendoor de Oparin Medal toe (ook om de zes jaar). Het resultaat is een unieke, echte evolutionaire onderscheiding - met een veranderlijke naam.
3. Chemische evolutie
De theorie probeert de transformatie van relatief eenvoudige organische stoffen tot vrij complexe chemische systemen, de voorlopers van het leven zelf, onder invloed van externe factoren, de mechanismen van selectie en zelforganisatie te beschrijven. Het basisconcept van deze benadering is "water-koolstof-chauvinisme", dat deze twee componenten (water en koolstof - NS) voorstelt als absoluut noodzakelijk en essentieel voor het ontstaan en de ontwikkeling van leven, zowel op aarde als daarbuiten. En het grootste probleem blijft de omstandigheden waaronder "water-koolstof-chauvinisme" zich kan ontwikkelen tot zeer geavanceerde chemische complexen die in de eerste plaats tot zelfreplicatie kunnen leiden.
Volgens een van de hypothesen zou de primaire organisatie van moleculen kunnen plaatsvinden in de microporiën van kleimineralen, die een structurele rol speelden. De Schotse chemicus Alexander Graham Cairns-Smith bracht dit idee een paar jaar geleden naar voren. Complexe biomoleculen zouden op hun binnenoppervlak kunnen bezinken en polymeriseren, zoals op een matrix: Israëlische wetenschappers hebben aangetoond dat dergelijke omstandigheden het mogelijk maken om voldoende lange eiwitketens te laten groeien. Hier kunnen de benodigde hoeveelheden metaalzouten zich ophopen, die een belangrijke rol spelen als katalysator voor chemische reacties. Kleimuren zouden kunnen functioneren als celmembranen, die de 'binnenste' ruimte, waarin steeds complexere chemische reacties plaatsvinden, verdelen en deze scheiden van de uiterlijke chaos.
De oppervlakken van kristallijne mineralen zouden kunnen dienen als "matrices" voor de groei van polymeermoleculen: de ruimtelijke structuur van hun kristalrooster is in staat om alleen optische isomeren van één type te selecteren - bijvoorbeeld L-aminozuren - waarmee het probleem wordt opgelost waar we het hierboven over hebben gehad. Energie voor het primaire ‘metabolisme’ zou kunnen worden geleverd door anorganische reacties, zoals de reductie van het mineraal pyriet (FeS2) met waterstof (tot ijzersulfide en waterstofsulfide). In dit geval is noch bliksem noch ultraviolette straling vereist voor het verschijnen van complexe biomoleculen, zoals in de Miller-Urey-experimenten. Dit betekent dat we de schadelijke aspecten van hun actie kunnen verwijderen.
Young Earth was niet beschermd tegen schadelijke - en zelfs dodelijke - componenten van zonnestraling. Zelfs moderne, evolutionair geteste organismen zouden deze harde ultraviolette straling niet kunnen weerstaan - ondanks het feit dat de zon zelf veel jonger was en niet genoeg warmte aan de planeet gaf. Hieruit ontstond de hypothese dat in het tijdperk waarin het wonder van de oorsprong van het leven plaatsvond, de hele aarde bedekt zou kunnen zijn met een dikke laag ijs - honderden meters; en dat is het beste. Zich verschuilend onder deze ijskap, kon het leven volkomen veilig voelen voor ultraviolette straling en voor frequente meteorische aanvallen die het in de kiem dreigden te vernietigen. De relatief koele omgeving zou ook de structuur van de eerste macromoleculen kunnen stabiliseren.
4. Zwarte rokers
Inderdaad, ultraviolette straling op de jonge aarde, waarvan de atmosfeer nog geen zuurstof bevatte en niet zoiets wonderbaarlijks als de ozonlaag had, had dodelijk moeten zijn voor elk ontluikend leven. Hieruit groeide de veronderstelling dat de kwetsbare voorouders van levende organismen ergens moesten bestaan, zich verschuilend voor de voortdurende stroom van sterilisatie van alles en alle stralen. Bijvoorbeeld diep onder water - natuurlijk waar er genoeg mineralen, menging, warmte en energie zijn voor chemische reacties. En zulke plaatsen werden gevonden.
Tegen het einde van de twintigste eeuw werd duidelijk dat de oceaanbodem geen toevluchtsoord kon zijn voor middeleeuwse monsters: de omstandigheden hier zijn te hard, de temperatuur is laag, er is geen straling en zeldzaam organisch materiaal kan alleen van het oppervlak neerslaan. In feite zijn dit enorme semi-woestijnen - met enkele opmerkelijke uitzonderingen: daar, diep onder water, vlakbij de uitlaten van geothermische bronnen, is het leven letterlijk in volle gang. Zwart water verzadigd met sulfiden is heet, actief gemengd en bevat veel mineralen.
Zwarte oceaanrokers zijn zeer rijke en onderscheidende ecosystemen: de bacteriën die zich ermee voeden, gebruiken de ijzer-zwavelreacties, die we al hebben besproken. Ze vormen de basis voor een volledig bloeiend leven, inclusief tal van unieke wormen en garnalen. Misschien vormden ze de basis voor het ontstaan van leven op de planeet: althans theoretisch bevatten dergelijke systemen alles wat daarvoor nodig is.
2. Onwetenschappelijk: geesten, goden, voorouders
Alle kosmologische mythen over de oorsprong van de wereld worden altijd bekroond met antropogonische mythen - over de oorsprong van de mens. En in deze fantasieën kan men alleen maar jaloers zijn op de verbeelding van de oude auteurs: op de vraag wat, hoe en waarom de kosmos ontstond, waar en hoe het leven - en mensen - verscheen, klonken de versies heel anders en bijna altijd mooi. Planten, vissen en dieren werden van de zeebodem gevangen door een enorme raaf, mensen kropen uit het lichaam van de voorouder Pangu terwijl wormen, gevormd uit klei en as, werden geboren uit huwelijken van goden en monsters. Dit alles is verrassend poëtisch, maar het heeft natuurlijk niets met wetenschap te maken.
5. De wereld van RNA
In overeenstemming met de principes van het dialectisch materialisme is het leven een "eenheid en strijd" van twee principes: veranderende en geërfde informatie enerzijds en biochemische, structurele functies anderzijds. Het een is onmogelijk zonder het ander - en de vraag waar het leven begon, met informatie en nucleïnezuren of met functies en eiwitten, blijft een van de moeilijkste. En een van de bekende oplossingen voor dit paradoxale probleem is de RNA-wereldhypothese, die eind jaren zestig verscheen en eind jaren tachtig vorm kreeg.
RNA - macromoleculen zijn bij het opslaan en verzenden van informatie niet zo efficiënt als DNA, en bij het uitvoeren van enzymatische functies - niet zo indrukwekkend als eiwitten. Maar RNA-moleculen zijn tot beide in staat, en tot nu toe dienen ze als transmissieverbinding in de informatie-uitwisseling van de cel, en katalyseren ze daarin een aantal reacties. Eiwitten zijn niet in staat zich te vermenigvuldigen zonder DNA-informatie, en DNA is daartoe niet in staat zonder eiwit "vaardigheden". RNA daarentegen kan volledig autonoom zijn: het is in staat zijn eigen "reproductie" te katalyseren - en dat is genoeg om te beginnen.
Studies in het kader van de RNA-wereldhypothese hebben aangetoond dat deze macromoleculen in staat zijn tot een volwaardige chemische evolutie. Neem bijvoorbeeld een illustratief voorbeeld dat wordt gedemonstreerd door Californische biofysici onder leiding van Lesley Orgel: als ethidiumbromide wordt toegevoegd aan een oplossing van RNA dat in staat is tot zelfreplicatie, dat dient als een
3. Onwetenschappelijk: onveranderlijkheid
Evenmin wetenschappelijk als de verhalen over de eerste voorouders kunnen de opvattingen worden genoemd die de luide naam dragen van de theorie van een stationaire staat. Volgens haar aanhangers is er helemaal geen leven ontstaan - net zoals de aarde niet werd geboren, noch verscheen de kosmos: ze waren gewoon altijd, altijd en zullen blijven. Dit alles is niet meer gerechtvaardigd dan de Pangu-wormen: om een dergelijke "theorie" serieus te nemen, zal men de talloze bevindingen van paleontologie, geologie en astronomie moeten vergeten. En in feite, om het hele grandioze gebouw van de moderne wetenschap achter zich te laten - maar dan is het waarschijnlijk de moeite waard om alles op te geven wat de inwoners te danken hebben, inclusief computers en pijnloze tandheelkundige behandelingen.
6. Protocellen
Een simpele replicatie is echter niet voldoende voor het "normale leven": elk leven is in de eerste plaats een ruimtelijk geïsoleerd gebied van de omgeving dat metabolische processen scheidt, het verloop van sommige reacties vergemakkelijkt en anderen uitsluit. Met andere woorden, leven is een cel die wordt begrensd door een semipermeabel membraan dat uit lipiden bestaat. En "protocellen" zouden al in de vroegste stadia van het leven op aarde moeten zijn verschenen - de eerste hypothese over hun oorsprong werd uitgedrukt door Alexander Oparin, die ons goed bekend is. Volgens hem zouden druppeltjes van hydrofobe lipiden die lijken op gele oliedruppels die in water drijven, kunnen dienen als "protomembranen".
Over het algemeen worden de ideeën van de wetenschapper geaccepteerd door de moderne wetenschap, en Jack Shostak, die de Oparin-medaille ontving voor zijn werk, was ook bij dit onderwerp betrokken. Samen met Katarzyna Adamala slaagde hij erin een soort "protocel" -model te creëren, waarvan de analoog van het membraan niet bestond uit moderne lipiden, maar uit nog eenvoudigere organische moleculen, vetzuren, die zich op de plaatsen van oorsprong van de eerste protoorganismen hadden kunnen opstapelen. Shostak en Adamala slaagden er zelfs in hun structuren "nieuw leven in te blazen" door magnesiumionen (die het werk van RNA-polymerasen stimuleren) en citroenzuur (die de structuur van vetmembranen stabiliseert) aan het medium toe te voegen.
Daardoor kwamen ze terecht in een volkomen eenvoudig, maar enigszins levend systeem; in elk geval was het een normale protocel die een membraanbeschermde omgeving bevatte voor RNA-reproductie. Vanaf dit moment kun je het laatste hoofdstuk van de prehistorie van het leven afsluiten - en beginnen met de eerste hoofdstukken van zijn geschiedenis. Dit is echter een heel ander onderwerp, dus we zullen het hebben over slechts één, maar uiterst belangrijk concept dat verband houdt met de eerste stappen van de evolutie van het leven en de opkomst van een enorme verscheidenheid aan organismen.
4. Onwetenschappelijk: eeuwige terugkeer
Een "zakelijke" representatie van de Indiase filosofie, in de westerse filosofie die verband houdt met de werken van Immanuel Kant, Friedrich Nietzsche en Mircea Eliade. Een poëtisch beeld van de eeuwige zwerftocht van elke levende ziel door een oneindig aantal werelden en hun bewoners, de transformatie ervan tot een onbeduidend insect, dan tot een verheven dichter, of zelfs tot een voor ons onbekend wezen, een demon of een god. Ondanks het gebrek aan ideeën over reïncarnatie, staat Nietzsche echt dicht bij dit idee: eeuwigheid is eeuwig, wat betekent dat elke gebeurtenis erin kan - en moet worden herhaald. En elk schepsel draait eindeloos rond in deze carrousel van universele terugkeer, zodat alleen het hoofd ronddraait en het probleem van de primaire oorsprong ergens verdwijnt in een caleidoscoop van talloze herhalingen.
7. Endosymbiose
Bekijk jezelf in de spiegel, kijk in de ogen: het wezen met wie je naar elkaar kijkt is een complexe hybride die in onheuglijke tijden is ontstaan. Aan het einde van de 19e eeuw merkte de Duits-Engelse natuuronderzoeker Andreas Schimper op dat chloroplasten, de plantencelorganellen die verantwoordelijk zijn voor fotosynthese, afzonderlijk van de cel zelf repliceren. Al snel was er een hypothese dat chloroplasten symbionten zijn, cellen van fotosynthetische bacteriën, ooit ingeslikt door de gastheer - en hier voor altijd achtergelaten.
Natuurlijk hebben we geen chloroplasten, anders zouden we ons kunnen voeden met zonlicht, zoals sommige pseudo-religieuze sekten suggereren. In de jaren 1920 werd de endosymbiose-hypothese echter uitgebreid met mitochondriën, organellen die zuurstof verbruiken en energie leveren aan al onze cellen. Tot op heden heeft deze hypothese de status gekregen van een volwaardige, herhaaldelijk bewezen theorie - het volstaat te zeggen dat mitochondriën en plastiden hun eigen genoom hebben, min of meer celdelingsmechanismen en hun eigen eiwitsynthesesystemen.
In de natuur zijn ook andere endosymbionten gevonden die geen miljarden jaren van gezamenlijke evolutie achter de rug hebben en zich op een minder diep niveau van integratie in de cel bevinden. Sommige amoeben hebben bijvoorbeeld geen eigen mitochondriën, maar er zitten bacteriën in die hun rol vervullen. Er zijn hypotheses over de endosymbiotische oorsprong van andere organellen - inclusief flagella en cilia, en zelfs de celkern: volgens sommige onderzoekers zijn wij allemaal eukaryoten het resultaat van een ongekende fusie tussen bacteriën en archaea. Deze versies hebben nog geen strikte bevestiging gevonden, maar één ding is duidelijk: zodra het opkwam, begon het leven zijn buren te absorberen - en interactie met hen te hebben, waardoor nieuw leven werd geboren.
5. Onwetenschappelijk: Creationisme
Het concept van creationisme ontstond in de 19e eeuw, toen dit woord de aanhangers werd genoemd van verschillende versies van de verschijning van de wereld en het leven, voorgesteld door de auteurs van de Thora, de Bijbel en andere heilige boeken van monotheïstische religies. In feite boden creationisten echter niets nieuws aan in vergelijking met deze boeken, waarbij ze keer op keer probeerden de rigoureuze en fundamentele bevindingen van de wetenschap te weerleggen - en in feite keer op keer de ene positie na de andere verloren. Helaas zijn de ideeën van moderne pseudowetenschappers-creationisten veel gemakkelijker te begrijpen: het kost veel moeite om de theorieën van echte wetenschap te begrijpen.
Sergey Vasiliev
