TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

I bi život... / Počev od jednostavnih neorganskih molekula

Užarena masa i prve geneze

Naučnici smatraju da se Zemlja formirala pre oko 4,54 milijardi godina spajanjem materijala koji se nalazio u orbiti oko Sunca. U početku je to bila užarena kugla u kojoj su teški elementi poput nikla i gvožđa tonuli u unutrašnjost Zemlje i formirali jezgro, dok su lakši silikati izranjali na površinu da bi tokom procesa dugotrajnog hlađenja formirali koru. U prvoj fazi, Zemljina površina je bila prekrivena okeanom istopljenih stena, pa pojava života u ovakvim uslovima nije bila moguća. Ovaj negostoljubiv vremenski period u istoriji Zemlje poznat kao prekambrijum (prastaro doba) ili kriptozoik je trajao do evolucije mnoštva makroskopskih i tvrdoljušturnih fosila koji označava početak kambrijuma pre otprilike 542 miliona godina.

Prekambrijum je podeljen na hadsko (pre 3,8 milijardi godina), arhajsko (od 2,5 do 3,8 milijardi godina) i proterozojsko doba (od 0,54 do 2,5 milijardi godina). Hadsko doba je bilo pakleno jer su na Zemlji preovladavale visoke temperature, erupcije vulkana, oluje i munje, i pokriva period pre formiranja stena. U arhaiku, isparavanjem vode iz vulkana i njenim kondenzovanjem, formirani su okeani, a lakši silikatni minerali su formirali spoljašnu Zemljinu koru. Teže stenske mase ovoga omotača tonule su naniže i formirale dno okeana dok su lakše materije formirale kontinentalni deo kore. Cela površina izdelila se na niz ploča koje su polako počele da se razmiču, mimoilaze i sudaraju. O atmosferi u fazi Zemljinog nastanka se malo zna, ali se smatra da je počela da nastaje pre 3,8 milijardi godina i u početku je bila ispunjena samo gasovima, i u njoj nije bilo kiseonika. Vodena para se hladila u atmosferi i u obliku kiše padala na Zemlju.

Zahvaljujući Sunčevoj toploti i atmosferi koja je ublažavala ali i štitila planetu od ubitačnog ultraljubičastog zračenja, pojavila se mogućnost za nastanak i razvoj onoga što se naziva „životom”. Ne zna se kada se on stvorio, ali ugljenik pronađen u 3,8 milijardi godina starim stenama zapadno od Grenlanda može biti organskog porekla. Zemlja je u arhaiku bila prilično negostoljubiva za razvoj ekosistema zbog snažnih vulkanskih erupcija, udara velikih objekata iz svemira, ali i velikih klimatskih oscilacija koje su kulminirale nekontrolisanim pojavama glacijacija (ledenih doba). Ali za evoluciju su ovakve promene bile samo snažan podsticaj za razvoj sve složenijih formi, doduše još uvek veoma primitivnih organizama. Pretpostavlja se da je, tokom ovoga perioda, život nastajao nekoliko puta, zbog toga što je uništavan udarcima iz svemira koji su bili toliko snažni da su mogli izazvati isparavanje okeana i sterilizaciju planete velikim oblakom pregrejane pare. Može se reći da je život na Zemlji pokazao neverovatnu prilagodljivost i raznolikost jer je uspeo da opstane u širokom spektru različitih uslova okoline. Nastanak života na Zemlji je jedan od najvećih i najuzbudljivijih naučnih misterija, koji je predmet istraživanja mnogih naučnih disciplina. Iako se još uvek ne zna tačan trenutak i način nastanka života, naučnici su razvili nekoliko teorija koje pokušavaju da objasne ovaj proces.

Hemijska teorija ili abiogeneza

Hemijska teorija ili abiogeneza, poznata i kao hipoteza Oparin-Haldejn (Oparin-Haldane) je najprihvaćenija teorija o nastanku života na Zemlji, po kojoj je život nastao iz jednostavnih, neorganskih (neživih) hemijskih molekula. Oni su se hemijskim reakcijama (hemijskom evolucijom) razvili u složenije organske spojeve, dok nisu stvorene prve forme života, čime je započela biološka evolucija. Abiogeneza objašnjava da su se, pre oko 3,8 milijardi godina (krajem hadeana i početkom arhaika) na ranoj Zemlji pod specifičnim uslovima jednostavni molekuli kao što su voda, metan, amonijak, ugljen-dioksid i vodonik hemijski kombinovali u redukujućoj atmosferi (bez kiseonika) i tako stvorili složene organske molekule kao što su amino i nukleinske kiseline i druge komponente potrebne za život. Ovi složeni molekuli su se vremenom akumulirali u „toploj razblaženoj supi” (primordijalna ili prebiotička supa) i postepeno organizovali u složenije strukture sposobne za samoreplikaciju i metabolizam, što su osnovni znaci života.
Jedna od najpoznatijih teorija abiogeneze je hipoteza o RNK svetu (RNA World Hypothesis), koja sugeriše da su prvi oblici života bili zasnovani na ribonukleinskoj kiselini - RNK. Samoreplikujući molekuli RNK su bili centralni elementi u nastanku života pre nego što su nastali složeniji molekuli kao što je dezoksiribonukleinska kiselina - DNK i proteini. Pre svega, zahvaljujući tome što RNK može da skladišti genetske informacije kroz svoj lanac nukleotida, omogućavajući nasleđivanje i evoluciju slično DNK. Takođe, RNK može delovati kao enzim, katalizujući ključne biohemijske reakcije kao što je formiranje peptidnih veza tokom sinteze proteina. Pretpostavlja se da je više samoreplikujućih molekulskih sistema verovatno prethodilo pojavi RNK. Proteini koji su dovoljno veliki da se samostalno saviju su se pojavili kada se pojavila RNK koja je katalizovala peptidnu ligaciju ili aminokiselinsku polimerizaciju. Pošto je RNK hemijski manje stabilna od DNK i podložna je bržoj razgradnji, smatra se da je vremenom DNK preuzela ulogu čuvanja podataka zbog svoje veće stabilnosti, dok su proteini usled veće raznovrsnosti monomera (aminokiselina) preuzeli ulogu RNK u specijalizovanoj biokatalizi. Hipoteza o RNK svetu sugeriše da je RNK u modernim ćelijama evolucioni ostatak RNK sveta koji je prethodio našem.

Za abiogenezu su potrebni određeni uslovi kao što su prisustvo vode, pravilna kombinacija osnovnih hemijskih komponenata i izvori energije. Voda je ključna za biološke procese i transport molekula, dok su gasovi kao što su metan, vodonik, ugljen-dioksid i amonijak mogli da učestvuju u hemijskim reakcijama koje dovode do stvaranja organskih molekula. Takođe je, za pokretanje hemijskih reakcija, neophodna i energija koja može biti iz različitih izvora kao što su Sunčevo zračenja, munje ili toplotna energija iz podvodnih termalnih izvora. Hipoteza o hidrotermalnim izvorima pretpostavlja da su prvi oblici života nastali pored hidrotermalnih izvora na dnu okeana (otvori na površini Zemlje kroz koje izlazi voda zagrejana geotermalnom energijom), gde su prisutni visoka temperatura, minerali i hemijske supstance koje omogućavaju abiogene procese kojima su se formirali prve organski molekuli. Posebno su alkalni hidrotermalni izvori mogli pružiti odgovarajući pH i termalne uslove za sintezu složenijih molekula poput nukleinskih kiselina.

Slična ovoj je hipoteza koja sugeriše da je život na Zemlji započeo u ekstremnim uslovima, sličnim onima u kojima danas nalazimo ekstremofile - organizme koji su sposobni da prežive u ekstremnim fizičko-hemijskim uslovima na Zemlji koji bi bili smrtonosni za većinu drugih oblika života. Po ovoj teorija su upravo ekstremne sredine pružile idealne uslove za abiogenezu, jer su duboki okeani i ekstremni uslovi mogli da pruže zaštitu od ultraljubičastog zračenja koje je bilo intenzivno zbog nedostatka ozonskog omotača. Arheje (prabakterije) i bakterije koje žive u ekstremnim uslovima ukazuju na mogućnost opstanka u uslovima koji su vladali na ranoj Zemlji.

I glina, i kiseline i RNK

Hipoteza da je život potekao iz gline, koju je predložio britanski naučnik Kerns-Smit (Cairns-Smith) 1960-ih godina, sugeriše da su mineralni kristali u glini poput silikata odigrali ključnu ulogu u nastanku života na Zemlji. Ovi kristali imaju pravilnu i ponavljajuću strukturu koja je mogla biti šablon za formiranje i replikaciju jednostavnih organskih molekula. Takođe, glina može apsorbovati vodu i organske molekule, omogućavajući njihovu koncentraciju u malim prostorima, a eksperimentalno je dokazano da površine minerala mogu katalizovati hemijske reakcije olakšavajući povezivanje jednostavnih molekula u složenije, poput peptida ili nukleinskih kiselina. Glina je mogla pružiti i zaštitu od UV zračenja i drugih štetnih faktora, čime je omogućila stabilnost hemijskih reakcija. Nakon što su složeni organski molekuli postali samoodrživi i sposobni za replikaciju, organski sistem je preuzeo ulogu koju su prvobitno imali minerali. Međutim, ne postoje fosilni zapisi ili nedvosmisleni dokazi koji bi potvrdili da su kristali gline igrali ključnu ulogu pa se ova hipoteza često smatra dopunom drugih teorija kao što je ona o RNK svetu i ne daje celokupnu sliku o nastanku života.

Nastanak složenih molekula, iz kojih su se razvili prvi samoreplikujući molekuli i koji su imali sposobnost da prenesu informacije, omogućilo je početak biološke evolucije. Vremenom, ovi molekuli su se organizovale u strukture koje su postale prvi oblici života. Ovi oblici života nisu bili složeni kao današnji organizmi, već su to bile jednostavne mikroskopske strukture koje su mogle da se replikuju i metabolizuju energiju. Miler-Jurijev (Miller-Urey) eksperiment iz 1952. godine, u kojem su ovi naučnici simulirali hipotetičke uslove za koje se pretpostavlja da su postojali u hadskom geološkom dobu u laboratoriji, podržao je ovu teoriju. Sa njim su dokazali da se iz jednostavnih molekula gasova kao što su metan, amonijak i vodena para mogu stvoriti složeni organski molekuli kao što su aminokiseline, koristeći energiju iz električnih pražnjenja, što je podržalo mogućnost abiogeneze. I danas se abiogeneza istražuje uz pomoć laboratorijskih eksperimenata, simulacija uslova rane Zemlje, kao i proučavanjem mogućnosti života u ekstremnim uslovima (npr. u dubokim okeanskim termalnim izvorima). Kasnije su u laboratorijama uspešno sintetizovane i kratke sekvence RNA koje imaju samoreplikativna svojstva, što je od velikog značaja jer se mnogi ključni biološki procesi u savremenim organizmima oslanjaju na RNK molekule. Naučnici takođe proučavaju moguće alternativne oblike života, kao što su organizmi zasnovani na silicijumu umesto ugljen-dioksidu (silikatne alge - dijatomeje) kako bi istražili šire mogućnosti nastanka života.
Abiogeneza ostaje centralna teorija o nastanku života na Zemlji, iako još uvek nisu potpuno razjašnjeni svi koraci tog procesa. Još uvek nije jasno kako su prvi RNK molekuli mogli da se samostalno replikuju bez pomoći proteina ili drugih molekula. Teško je objasniti kako su se prvi ribonukleotidi spontano formirali u uslovima rane Zemlje. Iako nije jedino moguće objašnjenje porekla života, hipoteza o RNK svetu pruža uvid u moguće načine na koje je život mogao započeti, povezivanjem hemijskih i bioloških procesa. Molekuli RNK su hemijski jednostavniji od DNK i proteina, što sugeriše da su se mogli spontano formirati u ranim hemijskim uslovima na Zemlji. RNK je mogla biti prelazni molekul koji je povezao jednostavne hemijske reakcije u prebiotičkoj supi sa kompleksnim procesima moderne biologije. Istraživanja nastavljaju da pružaju nove uvide u to kako su se osnovni gradivni blokovi života mogli formirati u uslovima koji su postojali na početku istorije Zemlje.

Panspermija - prvi svemir pa naša planeta

Druga teorija o nastanku života je panspermija, koja sugeriše da je život možda nastao negde u svemiru, umesto isključivo na našoj planeti. Život (ili barem osnovni gradivni blokovi života, kao što su organski molekuli ili mikrooranizmi) je zatim prenesen na Zemlju pomoću kometa, meteora, kosmičkog praha ili drugih svemirskih objekata. Panspermija ne objašnjava nastanak života već samo način na koji su mikroorganizmi (ili organski molekuli) mogli da prežive putovanje kroz svemir, a zatim se, kada dođu u kontakt sa pogodnim uslovima (kao što su toplota, voda i hranljive materije), razviju u život na novoj planeti kao što je Zemlja.

Prema ovoj teoriji, mikroorganizmi, poput bakterija, spora ili virusa, mogli su da prežive ekstremne uslove svemira (poput visoke radijacije, niskih temperatura i vakuuma) tako što su bili zaštićeni unutar svemirskih objekata, kao što su komete ili meteori. Kada bi ovi objekti pali na Zemlju, mikroorganizmi bi se preneli u našu atmosferu i ako su imali odgovarajuće uslove mogli bi preživeti i početi razvoj. Postoji teorija o panspermiji zasnovanoj na organskim molekulima, kod koje ne bi bilo direktnog prenosa života u obliku mikroorganizama već samo prenosa organskih molekula kao što su amino-kiseline, nukleotidi i drugi prekursori molekula života. Ovi molekuli bi, pošto bi došli na Zemlju, poslužili kao temelji za kasniji nastanak života.
Ovu teoriju je potvrdilo prisustvo organskih molekula u svemiru. Istraživanja su pokazala da su složeni organski molekuli (amino-kiseline ili adenin, guanin i srodne nukleobaze) otkriveni na različitim lokacijama u svemiru, uključujući međuzvezdane oblake, komete i meteore. Ovi molekuli su gradivni blokovi života kakvog poznajemo, pa se može pretpostaviti da bi mogli biti preneti na Zemlju kroz svemirsku prašinu ili druge svemirske objekte. Eksperimenti na satelitima i u svemirskim misijama poput one u okviru programa „ExoMars” su pokazali da određeni mikroorganizmi mogu da prežive ekstremne uslove u svemiru kao što su vakuum i visoka radijacija, ako su adekvatno zaštićeni, na primer, unutar kometa ili meteora. Ovo ukazuje da se supstance neophodne za nastanak života nalaze širom svemira, pa udar meteora na Zemlju može omogućiti njihov prenos. Problem za ovu teoriju predstavlja to što bi mikroorganizmi ili organski molekuli, ako bi došli na Zemlju, morali da prežive udar meteora i putovanje kroz atmosferu. Dokazi o preživljavanju takvog putovanja još uvek nisu u potpunosti potvrđeni. Iako panspermija ukazuje na mogućnost da život na Zemlji (ili osnovni delovi života) nije nužno nastao ovde već da je prenesen iz drugih delova svemira, mnogi naučnici veruju da bi abiogeneza, odnosno nastanak života iz neživih molekula, bila verovatniji odgovor na pitanje o poreklu života na Zemlji.

Prvi oblici života, UV i bez kuseonika

Život je možda započeo hemijskom evolucijom, gde su se jednostavni molekuli spontano udruživali u složenije strukture, uključujući RNK, peptide i lipidne membrane. Ovi organizmi su se razvili u primitivnim uslovima ranog Zemljinog okruženja, gde nije bilo kiseonika u atmosferi pa su koristili anaerobne procese za proizvodnju energije, poput fermentacije. Neki od prvih oblika života razvili su sposobnost da koriste jednostavne molekule iz okoline, poput ugljen-dioksida i sumporovodoničnih jedinjenja, za sintezu organskih molekula (autotrofni metabolizam). Najvažnija osobina je da su se ovi organizmi mogli samoreplikovati, što im je omogućilo biološku evoluciju kroz prirodnu selekciju i mutacije, da bi pre oko 3,8 milijardi godina formirali prve mikroskopske organizme - protoćelije (protobionti). Protoćelija je samoorganizovan, endogeno uređen sferni skup lipida za koju se pretpostavlja da je rudimentarni prekursor ćelija tokom nastanka života. Ona je imala veoma jednostavnu strukturu, nalik na polupropusnu membranu koja je odvajala hemijske procese u protoćeliji od onih koji su se odvijali u okolini, pa su protoćelije imale metabolizam.

Energija koja se stvarala metaboličkim putem je omogućavala rast, samoodržavanje i reprodukciju.
Iz protoćelija su verovatno nastale prve prave ćelije - prokariote, mikroskopske ćelije opkoljene ćelijskim zidom i membranom, bez jedra i složenih unutrašnjih struktura osim ribozoma. Prokariotskim organizmima pripadaju savremene bakterije, arheje i cijanobakterije (modrozelene alge). Cijanobakterije su autotrofni organizmi koji energiju dobijaju iz Sunca (fotosintezom). Oni su formirali slojevite strukture - stromatolite od kojih najstariji, pronađeni u sedimentima u Australiji i Južnoj Africi, datiraju iz perioda pre 3,7 milijardi godina, dok najstariji fosili mikroskopskih organizama datiraju iz perioda pre otprilike 3,5 milijardi godina. Očigledno je prvi primitivni život nastao u sredini bez kiseonika i pod dejstvom jakog ultraljubičastog zračenja.
Kako je temperatura naše planete polako opadala, prvi fotosintetički organizmi počeli su da proizvode kiseonik koji se u početku vezivao u hemijskim reakcijama oksidacije neorganskih materija rastvorenih u morskoj vodi, uglavnom jona gvožđa i drugih teških metala, sve dok više nije nestalo površina koje su mogle biti oksidovane. Pod uticajem oksigene fotosinteze mikroorganizama nivo kiseonika je nastavio da raste da bi u proterozoiku nastala moderna atmosfera sa velikim procentom kiseonika. Iz kiseonika u visokim slojevima atmosfere je, usled dejstva ultraljubičastog zračenja, vremenom nastao ozonski omotač, zaštitnik života na kopnu. To je dovelo do velikog oksidacionog događaja (pre oko 2,4 milijarde godina), kada se koncentracija kiseonika u atmosferi dovoljno povećala da bi omogućila razvoj aerobnih oblika života. Pre oko 1,8 milijardi godina razvile su se prvi jednoćelijski organizmi - eukarioti koji su imali jedro i organele, što je predstavljalo ključni korak ka složenim oblicima života. Pre oko 1 milijarde godina javljaju se prvi višećelijski organizmi, a pre oko 540 miliona godina došlo je do nagle pojave ogromnog broja različitih oblika višećelijskih organizama. Ova nagla pojavu života naziva se „eksplozija života“ ili „Kambrijumska eksplozija”. Bio je to najmisteriozniji, a ujedno i najznačajniji događaj u istoriji života.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"